惯性测量及卫星定位定向的组合导航系统的制作方法

1.本实用新型涉及组合导航技术领域，具体涉及一种惯性测量及卫星定位定向的组合导航系统。


背景技术：

2.惯性测量单元简称imu,是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置，其中，陀螺仪及加速度计是imu的主要元件。一般情况，imu包含了三个单轴的陀螺仪和三个单轴的加速度计，陀螺仪检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，而加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。
3.全球卫星导航系统（global navigation satellite system，gnss），是一种能在地球表面或近地空间的任何地点，为用户提供全天候的三维坐标、速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。国之重器北斗三号导航系统（bds3）就属于gnss的一种。gnss主要由空间卫星星座、地面控制站和接收机三部分组成。
4.中国实用新型专利cn212905484u公开了一种用于无人机的六轴光纤惯导冗余装置，其包括数据处理模块、信号采集模块、接口模块、三轴mems陀螺、三轴mems加表、温度传感器和卫星模块，其中，信号采集模块与数据处理模块电连接，接口模块包括第一spi接口、第二spi接口、第三spi接口、rs422接口、第一io接口和第二io接口，温度传感器通过第一spi接口与信号采集模块连接，三轴mems陀螺通过第二spi接口与信号采集模块连接，三轴mems加表通过第三spi接口与信号采集模块连接，无人机上的三轴光纤陀螺通过rs422接口与信号采集模块连接，无人机上的三轴石英加表通过第一io接口与信号采集模块连接，卫星模块通过第二io接口与信号采集模块连接。该技术方案成本较高、冗余设计比较复杂，不适应无人驾驶汽车等民用领域低成本、配置可选及多场景适用的需求。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种惯性测量及卫星定位定向的组合导航系统，未使用背景技术中的冗余设计，能够满足无人驾驶汽车等民用领域低成本、配置可选及多场景适用的需求。
6.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
7.惯性测量及卫星定位定向的组合导航系统，包括imu、gnss接收机、接口模块、信号采集与导航解算模块以及电源电路；
8.所述imu包括单轴光纤陀螺、双轴mems陀螺仪和三轴mems加速度计；所述单轴光纤陀螺用于测量z轴的角速度信号，所述双轴mems陀螺仪用于测量x轴和y轴的角速度信号，所述三轴mems加速度计用于测量三个正交轴上的加速度信号；
9.所述gnss接收机包括双天线、射频前端处理模块、rtk定位及双天线定向解算模组，所述接口模块包括rs422、spi、uart和对外接口，所述信号采集与导航解算模块包括
fpga和dsp微处理器；所述fpga通过emif数据总线与dsp微处理器连接；
10.所述单轴光纤陀螺用rs422与fpga连接，所述双轴mems陀螺仪、三轴mems加速度计均用spi与fpga连接，所述gnss接收机用uart与fpga连接，所述对外接口与fpga连接；所述电源电路为imu、gnss接收机、接口模块以及信号采集与导航解算模块供电。
11.进一步地，惯性测量及卫星定位定向的组合导航系统还包括三轴磁力计，所述三轴磁力计通过spi与fpga连接。
12.进一步地，接口模块还包括iic和gpio。
13.进一步地，惯性测量及卫星定位定向的组合导航系统还包括里程计，所述里程计通过gpio与fpga连接。
14.进一步地，惯性测量及卫星定位定向的组合导航系统还包括气压温度一体传感器，所述气压温度一体传感器通过iic与fpga连接。
15.进一步地，所述对外接口包括rs232、rs422、usb/sd卡、以太网接口、can中的一种或几种。
16.进一步地，所述电源电路包括打开或关闭电源的控制电路、滤波电路和dc/dc转换电路。
17.进一步地，所述dc/dc转换电路包括第一转换电路、第二转换电路和第三转换电路；所述第一转换电路将12vdc转换为5vdc为单轴光纤陀螺、接口模块供电，所述第二转换电路将5vdc转换为3.3vdc 为双轴mems陀螺仪和三轴mems加速度计、rtk定位及双天线定向解算模组、信号采集与导航解算模块供电，第三转换电路将3.3vdc转换为1.8vdc为usb、以太网接口供电。
18.本实用新型提供的惯性测量及卫星定位定向的组合导航系统，相对现有技术的有益效果如下：
19.1、融合了光纤陀螺精度高和mems陀螺仪成本低的优点；
20.2、能够满足车道级定位的要求，以及无人驾驶汽车等民用领域低成本、配置可选及多场景适用的需求。
附图说明
21.图1是本实用新型的惯性测量及卫星定位定向的组合导航系统的工作原理框图。
22.图2是本实用新型的惯性测量及卫星定位定向的组合导航系统的产品外观图。
具体实施方式
23.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
24.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通
或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
25.请参照图1所示，本实用新型提出的惯性测量及卫星定位定向的组合导航系统，包括imu1、gnss接收机2、接口模块、信号采集与导航解算模块以及电源电路6。所述imu1包括单轴光纤陀螺11、双轴mems陀螺仪12和三轴mems加速度计13；所述单轴光纤陀螺11用于测量z轴的角速度信号，所述双轴mems陀螺仪12用于测量x轴和y轴的角速度信号，所述三轴mems加速度计13用于测量三个正交轴上的加速度信号。本实施例中，所述单轴光纤陀螺11为数字闭环单轴光纤陀螺，其采用数字相位阶梯波实现闭环，采用方波信号进行偏置调制，获得数字角速度值后转换为低采样率的数字量向外输出。本实施例中，载体坐标系以载体的质心为坐标原点，以载体前进方向为x轴，水平向右为y轴，z轴沿载体垂直向上，三轴构成右手直角坐标系。
26.所述gnss接收机2包括双天线、射频前端处理模块、rtk定位及双天线定向解算模组。所述双天线包括主天线和从天线；所述rtk定位及双天线定向解算模组集成了基带数字信号处理模块和定位导航解算模块，具体型号为um982。所述gnss接收机2设置在gnss板卡上。gnss接收机2通过对卫星载波信号的接收、处理、解算，从而实现定位、导航和授时的功能。本实施例中，gnss接收机2能够兼容中国北斗卫星导航系统、美国gps、欧盟galileo和俄罗斯glonass。
27.所述接口模块包括rs422、spi、uart和对外接口5。所述信号采集与导航解算模块包括fpga3和dsp微处理器4；所述fpga3通过emif数据总线与dsp微处理器4连接，dsp微处理器4将解算后的横滚角、俯仰角、航向角数据及经过融合的速度、位置信息输出至上位机。
28.所述单轴光纤陀螺11用rs422与fpga3连接，所述双轴mems陀螺仪12、三轴mems加速度计13均用spi与fpga3连接；所述gnss接收机2用uart与fpga3连接，所述对外接口5与fpga3连接。所述对外接口5包括rs232、rs422、usb/sd卡、以太网接口、can中的一种或几种。所述fpga3有接入秒脉冲（pps）同步信号。可选的，接口模块还包括iic和gpio。所述fpga3通过gpio实现电源控制、led状态指示灯的控制。
29.本实用新型提出的惯性测量及卫星定位定向的组合导航系统，可选的配置还包括三轴磁力计7，所述三轴磁力计7通过spi与fpga3连接；可选的配置还包括里程计8，所述里程计8通过gpio与fpga3连接；可选的配置还包括气压温度一体传感器9，所述气压温度一体传感器9通过iic总线与fpga3连接。
30.所述电源电路6包括打开或关闭电源的控制电路、滤波电路和dc/dc转换电路。所述dc/dc转换电路包括第一转换电路、第二转换电路和第三转换电路；所述第一转换电路将12vdc转换为5vdc为单轴光纤陀螺、接口模块供电，所述第二转换电路将5vdc转换为3.3vdc 为双轴mems陀螺仪和三轴mems加速度计、rtk定位及双天线定向解算模组、信号采集与导航解算模块供电，第三转换电路将3.3vdc转换为1.8vdc为usb、以太网接口供电。所述电源电路6为imu1、gnss接收机2、接口模块以及信号采集与导航解算模块供电。
31.请参照图2所示，本实用新型在装配成产品时还包括结构件，所述结构件包括能围成封闭容纳腔的底座10和盒体20。所述底座10和盒体20的内部设有安装固定单轴光纤陀螺11、电路板的安装柱，安装柱的一端设有内螺纹，所述底座10和盒体20的侧面设有适配双天线接头和对外接口5的开口。所述单轴光纤陀螺11固定在底座上；所述双轴mems陀螺仪12和
三轴mems加速度计13、接口模块、信号采集与导航解算模块、电源电路6都设置在电路板上。所述底座10设有螺孔，盒体20设有内螺纹，底座10和盒体20装配后用螺丝固定。优选的，底座10和盒体20的材质为铝合金，在实际运用中还可以采用镁铝合金或铜合金。
32.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。