微惯性测量组合系统的设计

　　0　引　言

　　20世纪50年代出现了惯性导航系统,利用惯性敏感元件和初始位置来确定载体的动态位置、姿态和速度。工作的时候既不依赖外界任何信息,也不向外界辐射能量,能够独立完成导航任务,在军事上得到了一种绝对保密且不受干扰的导航系统。由于它的完全自主性,已广泛用于航天、航空、航海和许多民用领域,成为目前各种航行体上应用的一种主要导航设备,能够提供精确的姿态与多种导航信息。

　　在惯导系统发展的同时,组合导航技术、新型微硅器件正在不断扩展惯性技术应用领域,并呈现出日益广阔的发展前景。本文所研究的微型惯性测量组合系统就是导航系统的一种,它是由三维微机械加速度计和三维微机械陀螺以及信号调理电路组合而成的用于敏感飞行体时空位置姿态信息的惯性测量组合系统。它比普通惯性导航系统体积小、重量轻、成本低、抗恶劣环境能力强。

　　1　MIMU系统的组成

　　MIMU系统是采用微机械陀螺及微机械加速度计进行组合[1]。它由3只微陀螺和3只微加速度计组成,分别安装在正方体的3个正交面上,其敏感轴相互垂直,分别测量沿此3个方向的加速度与角速度。计算机依据方向余弦矩阵微分方程式便可以实时计算出载体坐标系和惯性坐标系之间的方向余弦矩阵,参考载体起飞前初始对准的结果或在空中由其他信号源提供的初始条件,可以得到地理坐标系相对惯性坐标系的旋转角速度,对其进行积分就可以得到载体的航向和姿态。通过这个方向余弦矩阵的分解,便可将加速度计的输出转换为飞行器沿地理坐标系的加速度分量。然后,将其积分,就得到南北向、东西向和高度方向的地速分量vN,vE及vL。有了地速分量,进行相应的转换,就得到经纬度、高度的变化率,再对其进行积分,最终,就得到飞行器瞬时位置的经度、纬度和高度。因此,MIMU系统可以提供载体姿态、位置和速度的信息,其原理如图1所示。

　　2　MIMU系统结构

　　导航参数的实时解算包含大量的矩阵运算,因此,对计算机的性能提出了较高的要求。在开发过程中可以使用PC机,这样,开发周期短,程序移植性好。但在实际应用中要求使用体积小,功耗低。在本系统中,选用的是高性能的嵌入式计算机系统。系统硬件的组成大体上分3个模块:电源模块、数据采集模块和数据处理模块。其中,数据采集模块包括微机械加速度计、微硅陀螺、滤波电路和A/D转换电路。总体结构如图2所示。

　　2.1　数据采集模块

　　数据采集模块主要负责完成将MIMU输出的角速度和加速度电信号转换成数字信号,设计时,必须充分考虑到MIMU尤其是微陀螺仪实际输出信号的带宽和动态范围。图3是微陀螺仪数据采集的原理图。