對于在室外環(huán)境工作的移動(dòng)機器人通常使用慣導/衛星組合導航方式。慣性導航系統[1]具有完全自主、抗干擾強、隱蔽能力好和輸出參數全面等優(yōu)點(diǎn)，但它的魯棒性極低，誤差會(huì )不斷隨時(shí)間累積發(fā)散。衛星導航系統具有精度高、定位范圍廣和誤差不隨時(shí)間累積等優(yōu)點(diǎn)，但其自主性差、易受外界遮擋和干擾、接收機數據更新頻率低等缺點(diǎn)。因此工程上常常將兩者互補結合使用，組成衛星/慣性組合導航系統。

 

本文以低功耗MSP430F149為核心，設計了能夠同時(shí)實(shí)現衛星導航(GNSS)接收機、慣性測量單元(IMU)、氣壓高度等導航信息的高速采集與高速合路傳輸，并進(jìn)行初步導航定位信息融合的導航系統，即可為室外移動(dòng)機器人提供直接的導航服務(wù)，也可作為高精度組合導航系統的原始測量信息高速采集系統。

 

系統設計的關(guān)鍵是利用單片機有限的接口資源實(shí)現了多傳感器信息并行采集，設計了有效的數據同步方法，解決了氣壓傳感器數據手冊疏漏導致的無(wú)法接入問(wèn)題，給出了機器人組合定位的基本方法。系統充分利用了MSP430F149單片機的能力，具有結構簡(jiǎn)單、低功耗、對傳感器具有普適性等優(yōu)點(diǎn)。

 

1 總體設計

 

本系統由電源、氣壓計接口、IMU接口、GNSS接收機接口、SPI轉UART模塊及MSP430F149構成。系統組成如圖1所示。

 

組合導航系統的功能實(shí)現分為IMU數據接收與解析、GNSS數據接收與解析、氣壓計數據接收與解析、組合導航解算以及數據輸出五個(gè)部分。IMU數據接收與解析功能用來(lái)獲取導航解算中需要的加速度和角速度信息；GNSS數據接收與解析功能用來(lái)獲取導航解算中需要的位置和速度信息(松耦合組合)或者GNSS偽距和偽距率（緊耦合組合）；氣壓計數據接收與解析功能用來(lái)獲取高度信息；組合導航解算功能為系統核心，用來(lái)進(jìn)行組合導航解算；數據的輸出包括原始數據包的整合輸出和解算結果的輸出。

本文所使用的慣性器件和GNSS接收機都是RS-232電平的UART接口，具有通用性，用戶(hù)可根據成本考慮不同精度的設備。氣壓計選用美國MEAS公司生產(chǎn)的MS5803-02BA，已經(jīng)固化在電路中。

 

2 硬件電路設計

 

2.1微控制器接口

 

整個(gè)組合導航定位系統需要三個(gè)UART接口和兩個(gè)SPI接口。其中兩個(gè)UART接口由430單片機自帶的UART資源提供，另外一個(gè)UART接口由GPIO模擬SPI通過(guò)MAX3111E芯片轉化得到；兩個(gè)SPI接口由GPIO模擬得到。另外需要一個(gè)外部中斷引腳捕獲秒脈沖信號（PPS）、一個(gè)外部中斷引腳捕獲MAX3111E中斷信號。MSP430F149管腳資源分配如表1所示。

 

 

2.2電源電路

 

本系統供電需求為3.3V供電，因此采用AMS1117穩壓芯片，接入5V電源即可輸出3.3V穩定電壓，可提供1A電流，滿(mǎn)足系統供電需求。電路設計如圖2所示。

 

圖2 電源電路

 

2.3 IMU器件及GNSS接收機接口電路

 

IMU器件及GNSS接收機都采用UART接口方式接入，采用RS232協(xié)議。因此可使用430單片機上自帶的兩個(gè)UART接口，但是需要進(jìn)行TTL電平與RS232電平轉換。這里采用常見(jiàn)的MAX3232芯片，電路設計如圖3所示。

 

圖3 IMU及GNSS接口電路

 

2.4 氣壓計MS5803-02BA接口電路

 

MS5803-02BA[3]是由MEAS公司生產(chǎn)的數字壓力傳感器，分辨率達10cm。芯片內部包含一個(gè)高線(xiàn)性的壓力傳感器和一個(gè)內部工廠(chǎng)標定系數的超低功耗24位ΔΣ型ADC。該款芯片有SPI和I2C兩種接口方式，通過(guò)芯片的PS引腳配置了選擇不同的接口方式（PS置低時(shí)，采用SPI工作模式；PS置高時(shí)，采用I2C工作模式）。本文所闡述的定位系統將氣壓計配置為SPI工作模式。MS5803-02BA與微控制器間的接口電路設計如圖4所示。

 

圖4 MS5803-02BA接口電路

 

MS5803-02BA的控制命令包括復位命令、溫度ADC命令、氣壓ADC命令、ADC讀取命令、PROM讀取命令?？刂泼钊绫?所示。

 

控制命令通過(guò)SDI口移位輸入，響應結果從SDO移位輸出。輸入的電平判定在時(shí)鐘信號的上升沿，輸出的電平判定在時(shí)鐘信號的下降沿。輸出的氣壓值可以進(jìn)行溫度補償，需要利用芯片內部PROM中的系數來(lái)補償。ADC讀取命令輸入之后，輸出24位ADC結果；PROM讀取命令輸入之后，輸出16位補償系數。

 

 

下面是讀取ADC的C語(yǔ)言代碼：

 

CSN_OFF_MS();//CS置低

SPI_WRITE_8BIT(CMD);//SDI移入8位CMD

delay_ms(10); //延時(shí)10ms

CSN_ON_MS();//CS置高

CSN_OFF_MS();//CS置低

SPI_WRITE_8BIT(0x00);//SDI移入8位0x00

result = SPI_READ_24BIT();//SDO移出24位

CSN_ON_MS();//CS置高

 

下面是讀取PROM的C語(yǔ)言代碼：

 

CSN_OFF_MS();//CS置低

SPI_WRITE_8BIT(CMD); //SDI移入8位CMD

result=SPI_READ_16BIT();//SDO移出24位

CSN_ON_MS();//CS置高

 

結合器件的使用手冊及手冊疏漏的地方，使用MS5803-02BA時(shí)需要注意：

 

1、溫度和氣壓ADC命令發(fā)送之后，芯片內部需要一定的時(shí)間進(jìn)行采樣轉換，具體時(shí)間與過(guò)采樣率（OSR）有關(guān)，最大需求時(shí)間為10ms，因此本文采用的延時(shí)時(shí)間為10ms；

 

2、片選信號CS的下降沿到時(shí)鐘SCLK信號的第一個(gè)上升沿至少要有21ns的時(shí)間延遲，否則命令無(wú)法正確寫(xiě)入芯片；

 

3、8位的ADC讀取命令之后，必須保持CS片選信號持續為低，再產(chǎn)生24位時(shí)鐘信號輸入，將24位的ADC結果讀取出來(lái)（即一個(gè)命令字為8位，但實(shí)際需要32個(gè)連續的時(shí)鐘周期才能完整讀取ADC結果）；

 

4、對于PROM讀取命令同ADC讀取命令，一共需要24個(gè)連續的時(shí)鐘周期完成，其中8位命令字輸入，16位數據讀出。

 

5、對于所有從SDO移位輸出數據的同時(shí)，都需要SDI輸入端保持低電平。

 

2.5 SPI轉UART電路

 

由于MSP430F149的片上UART資源都被IMU器件和GNSS接收機占用，因此需要擴充一個(gè)UART接口才能滿(mǎn)足定位系統與PC機間的通信。為此將MSP430F149上的GPIO模擬SPI，再通過(guò)MAX3111E芯片轉成UART接口。

 

MAX3111E是MAXIM公司推出的全功能收發(fā)器，內部包含UART和RS232電平轉換兩個(gè)獨立的部分。UART部分包括兼容于SPI的串行接口、可編程波特率發(fā)生器、發(fā)送移位寄存器、接收移位寄存器、8字長(cháng)的FIFO以及4種可屏蔽中斷發(fā)生器；RS232部分包括電泵電容、硬件關(guān)斷（SHDN管腳），具有±15kV靜電保護作用。它可以選擇1.8432MHz或3.6864MHz兩種晶振作為外部晶振，芯片能夠工作在300bps～230kbps波特率，本文使用的是3.6864MHz晶振。MAX3111E與MSP430F149連接電路如圖5。

 

圖5 SPI轉UART電路

 

MAX3111E的控制命令分為寫(xiě)配置命令、讀配置命令、寫(xiě)數據命令以及讀數據命令四種。本文寫(xiě)入芯片的配置命令是0xE809，8bit數據長(cháng)度、使能FIFO、發(fā)送中斷使能、波特率38400bps。數據的寫(xiě)入需要在每個(gè)字節前面加上0x81，例如若要發(fā)送字節0x55，則需要從DIN端移位輸入0x8155。

 

下面是連續發(fā)送n個(gè)字節的C語(yǔ)言代碼：

 

SPI_WRITE_16BIT(0xE809);//寫(xiě)配置命令

delay_ms(10);//延時(shí)10ms

SPI_WRITE_16BIT(0x8100+DATA1);//發(fā)送第1個(gè)數據DATA1

delay_ns(250);//延時(shí)250ns

SPI_WRITE_16BIT(0x8100+DATA2);//發(fā)送第2個(gè)數據DATA2

 

……

 

delay_ns(250);//延時(shí)250ns

SPI_WRITE_16BIT(0x8100+DATAn);//發(fā)送第n個(gè)數據DATAn

 

使用MAX3111E時(shí)需要注意：

 

1、片選信號CS的下降沿到時(shí)鐘SCLK信號的第一個(gè)上升沿至少要有100ns的時(shí)間延遲；

 

2、芯片判定片選信號CS失效時(shí)，需要CS管腳保持高電平的時(shí)間至少為200ns。因此當需要連續發(fā)送數據時(shí)，兩個(gè)寫(xiě)數據命令之間至少需要200ns，建議間隔250ns；

 

3、寫(xiě)配置命令需要晶振工作穩定，因此可以在寫(xiě)配置命令后再讀配置，直到寫(xiě)入和讀出的配置數據相應位相同時(shí)才保證芯片按需求配置完畢。

 

3 軟件設計

 

3.1 GPIO模擬SPI實(shí)現方法

 

使用GPIO模擬SPI，對選定的IO口進(jìn)行時(shí)序上的電平操作，模擬出SPI時(shí)序。本文將SPI的電平操作采用宏定義的方式，可參考表3中的源代碼。

 

 

程序按照SPI邏輯關(guān)系使用上述的宏定義，可以在選定的IO端口產(chǎn)生SPI信號，并且可以靈活的控制每個(gè)CS有效期間的時(shí)鐘數。使用GPIO模擬的SPI具有操作直觀(guān)、靈活可變等優(yōu)點(diǎn)。相比較模擬得到的SPI，控制器上自帶的SPI接口基本不占用控制器資源，發(fā)送和接收的移位、時(shí)鐘信號的產(chǎn)生都交由內部SPI模塊處理。而GPIO模擬的SPI需要控制器不斷對IO進(jìn)行操作，因此會(huì )占用控制器處理時(shí)間。時(shí)鐘信號也因對電平操作消耗機器周期，導致時(shí)鐘信號速度有限。

 

3.2 數據的采集和處理方法

 

IMU和GNSS接收機的數據會(huì )主動(dòng)發(fā)送到430單片機的UART接口，本文采用中斷接收的方式接收數據，將每次到來(lái)的一個(gè)字節循環(huán)存儲在指定的存儲區；氣壓計需要430單片機查詢(xún)式獲取高度信息。因此當需求IMU或者GNSS信息的時(shí)候，需要在存儲區內掃描數據，掃描依據是設備發(fā)送一幀數據的協(xié)議（幀頭、幀尾、CRC等），再根據協(xié)議獲取相應物理量的數值；當需要高度信息的時(shí)候，需要430單片機對氣壓計發(fā)送控制字獲取信息。在對IMU和GNSS信息掃描時(shí)需要一個(gè)變量ptr保存有效數據的首地址在存儲區內的偏移地址，為了不重復使用已用數據，需要在利用完信息后，破壞這一幀有效數據的幀頭幀尾。

 

另外需要注意，使用循環(huán)存儲數據和掃描取用這種方式，需要數據的處理速度比數據的接收速度快，否則舊數據會(huì )被新數據覆蓋。

 

3.3 高度計算方法

 

高度信息的獲取需要通過(guò)MS5803-02BA獲取的氣壓信息轉換得到。對這款氣壓計的操作，需要先在芯片內部的PROM獲取C1~C6六個(gè)參數，再獲取溫度ADC結果D1和氣壓ADC結果D2，最后利用官方提供的計算公式計算得到帶補償的氣壓值。氣壓值獲取的軟件流程圖如圖6。

 

圖6 高度計算流程圖

 

按照氣壓計的用戶(hù)手冊中提供的計算公式，最后可以計算得到一個(gè)經(jīng)過(guò)溫度補償的標準氣壓值，單位mbar。高度信息的獲取還需要將氣壓值經(jīng)過(guò)函數關(guān)系轉換。高度h和標準大氣P之間有如下函數關(guān)系：

 

 

Th=288.15K，是g0對應高度下的溫度下限值；β=-6.5K/km，是溫度的垂直變化率；H=0m，是g0對應的高度；Ph=101325Pa，是g0對應高度下的氣壓下限值；R=287.05287m2/(K●s2)，是氣體常數；g0=9.80665m/s2，是海平面重力加速度。

 

在氣壓與高度的關(guān)系轉換中，本文采用分段線(xiàn)性化的方法擬合它們的非線(xiàn)性關(guān)系。在不同氣壓值區間內，線(xiàn)性化公式得到h=a●P+b，取得不同的線(xiàn)性參數a、b，參考表4。

 

 

3.4 組合導航的時(shí)間對準

 

進(jìn)行組合導航濾波解算時(shí)，從IMU和GNSS接收機接收到的數據在時(shí)間上應該是同步的，因為如果在一個(gè)數據融合點(diǎn)上，進(jìn)入Kalman濾波器的來(lái)自?xún)蓚€(gè)子系統中的數據來(lái)自不同的時(shí)間點(diǎn)，會(huì )給濾波計算帶來(lái)誤差，同時(shí)也會(huì )給校正計算帶來(lái)影響。GNSS接收機輸出的導航數據都帶有精確的時(shí)間標簽，而從 IMU 輸出的數據只有一個(gè)相對時(shí)間標簽。以GNSS接收機的時(shí)間標簽作為時(shí)間基準，分析時(shí)間差的組成。系統時(shí)間示意圖如圖7所示。

 

圖7 系統時(shí)鐘示意圖

 

3.4.1 時(shí)間差分析

 

當一個(gè)GNSS數據（1Hz）到來(lái)時(shí)，接收機產(chǎn)生一個(gè)秒脈沖信號（PPS），用于時(shí)間對準。GNSS接收機本身存在數據時(shí)延：接收機整個(gè)計算過(guò)程會(huì )產(chǎn)生一個(gè)解算時(shí)間延遲△t1、從衛星導航接收機和慣導系統輸出的數據分別經(jīng)過(guò)McBSP和RS-232數據接口輸入導航解算處理器會(huì )產(chǎn)生一定的傳輸延遲△t2。因此在PPS信號前的△t1+△t2時(shí)刻才是當前接收到的GNSS數據幀的真實(shí)時(shí)刻。IMU數據處理時(shí)間相對于遞推時(shí)間來(lái)說(shuō)很小，可以忽略。另外PPS脈沖信號和慣性測量信號之間的時(shí)間差△τ，它描述GNSS絕對時(shí)間和IMU相對時(shí)間之間的關(guān)系，使得GNSS和IMU統一在同一個(gè)時(shí)間標準下。

 

3.4.2 處理思想

 

根據總時(shí)間差△T =△t1+△t2+△τ，找到IMU數據對應的插值時(shí)刻。通過(guò)時(shí)間△T就可以獲得對準時(shí)間點(diǎn)與最近的兩個(gè)慣性采集時(shí)刻，其后對時(shí)間同步點(diǎn)兩側時(shí)間點(diǎn)上，即圖中t(k-1)和t(k)時(shí)間點(diǎn)的慣性數據進(jìn)行線(xiàn)性插值運算，就可以獲得了慣導數據和GNSS接收機數據在同一時(shí)間點(diǎn)上的同步化測量數據。

 

3.4.3 實(shí)施方法

 

GNSS接收機解算時(shí)間△t1由接收機提供。

 

傳輸時(shí)間△t2通常為一個(gè)固定時(shí)間，使用示波器分別測量GNSS接收機發(fā)送時(shí)間和導航解算電路的接收時(shí)間，再將兩個(gè)時(shí)間作差即可獲得。

 

△τ的獲取需要開(kāi)啟MSP430F149的計時(shí)器和外部中斷，通過(guò)中斷計時(shí)的方式獲得。具體方法是：通過(guò)將PPS信號接入導航處理器的外部中斷接口，采用邊沿觸發(fā)方式觸發(fā)中斷事件的發(fā)生。中斷事件啟動(dòng)計時(shí)器工作。當通過(guò)串口中斷方式接收到IMU數據時(shí)，讀取計時(shí)器的值，即可得到IMU數據相對于PPS的延遲時(shí)間△τ。

 

結論

 

本文基于MSP430F149單片機設計的室外移動(dòng)機器人組合導航定位系統，通過(guò)接口的擴展使得該款定位系統能夠接入IMU、GNSS接收機、氣壓計三路信息，完成初步導航定位服務(wù)功能，同時(shí)可作為多路數據采集設備，將多路數據整合到一路高速輸出接口，用于進(jìn)一步的高精度導航解算。該系統根據使用者的需求不同，可接入不同成本和精度的設備，只要滿(mǎn)足RS-232協(xié)議即可。筆者將其實(shí)際運用，整個(gè)系統充分利用該款單片機的資源，結構簡(jiǎn)單、功耗低、適用范圍廣，不僅可作為初步導航定位服務(wù)的設備，還可作為多路數據采集設備。