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

本文以低功耗MSP430F149為核心，設(shè)計了能夠同時實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)接收機、慣性測量單元(IMU)、氣壓高度等導(dǎo)航信息的高速采集與高速合路傳輸，并進行初步導(dǎo)航定位信息融合的導(dǎo)航系統(tǒng)，即可為室外移動機器人提供直接的導(dǎo)航服務(wù)，也可作為高精度組合導(dǎo)航系統(tǒng)的原始測量信息高速采集系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是利用單片機有限的接口資源實現(xiàn)了多傳感器信息并行采集，設(shè)計了有效的數(shù)據(jù)同步方法，解決了氣壓傳感器數(shù)據(jù)手冊疏漏導(dǎo)致的無法接入問題，給出了機器人組合定位的基本方法。系統(tǒng)充分利用了MSP430F149單片機的能力，具有結(jié)構(gòu)簡單、低功耗、對傳感器具有普適性等優(yōu)點。

本系統(tǒng)由電源、氣壓計接口、IMU接口、GNSS接收機接口、SPI轉(zhuǎn)UART模塊及MSP430F149構(gòu)成。系統(tǒng)組成如圖1所示。組合導(dǎo)航系統(tǒng)的功能實現(xiàn)分為IMU數(shù)據(jù)接收與解析、GNSS數(shù)據(jù)接收與解析、氣壓計數(shù)據(jù)接收與解析、組合導(dǎo)航解算以及數(shù)據(jù)輸出五個部分。IMU數(shù)據(jù)接收與解析功能用來獲取導(dǎo)航解算中需要的加速度和角速度信息;GNSS數(shù)據(jù)接收與解析功能用來獲取導(dǎo)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(shù)據(jù)接收與解析功能用來獲取高度信息;組合導(dǎo)航解算功能為系統(tǒng)核心，用來進行組合導(dǎo)航解算;數(shù)據(jù)的輸出包括原始數(shù)據(jù)包的整合輸出和解算結(jié)果的輸出。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

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，用戶可根據(jù)成本考慮不同精度的設(shè)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。

微控制器接口

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

電源電路

本系統(tǒng)供電需求為3.3V供電，因此采用AMS1117穩(wěn)壓芯片，接入5V電源即可輸出3.3V穩(wěn)定電壓，可提供1A電流，滿足系統(tǒng)供電需求。電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 電源電路

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UART接口，但是需要進行TTL電平與RS232電平轉(zhuǎn)換。這里采用常見的MAX3232芯片，電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 IMU及GNSS接口電路

氣壓計MS5803-02BA接口電路

MS5803-02BA[3]是由MEAS公司生產(chǎn)的數(shù)字壓力傳感器，分辨率達10cm。芯片內(nèi)部包含一個高線性的壓力傳感器和一個內(nèi)部工廠標定系數(shù)的超低功耗24位ΔΣ型ADC。該款芯片有SPI和I2C兩種接口方式，通過芯片的PS引腳配置了選擇不同的接口方式(PS置低時，采用SPI工作模式;PS置高時，采用I2C工作模式)。本文所闡述的定位系統(tǒng)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(shè)計如圖4所示。

圖4 MS5803-02BA接口電路

MS5803-02BA的控制命令包括復(fù)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?？刂泼钔ㄟ^SDI口移位輸入，響應(yīng)結(jié)果從SDO移位輸出。輸入的電平判定在時鐘信號的上升沿，輸出的電平判定在時鐘信號的下降沿。輸出的氣壓值可以進行溫度補償，需要利用芯片內(nèi)部PROM中的系數(shù)來補償。ADC讀取命令輸入之后，輸出24位ADC結(jié)果;PROM讀取命令輸入之后，輸出16位補償系數(shù)。

本文基于MSP430F149單片機設(shè)計的室外移動機器人組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)，通過接口的擴展使得該款定位系統(tǒng)能夠接入IMU、GNSS接收機、氣壓計三路信息，完成初步導(dǎo)航定位服務(wù)功能，同時可作為多路數(shù)據(jù)采集設(shè)備，將多路數(shù)據(jù)整合到一路高速輸出接口，用于進一步的高精度導(dǎo)航解算。該系統(tǒng)根據(jù)使用者的需求不同，可接入不同成本和精度的設(shè)備，只要滿足RS-232協(xié)議即可。筆者將其實際運用，整個系統(tǒng)充分利用該款單片機的資源，結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、適用范圍廣，不僅可作為初步導(dǎo)航定位服務(wù)的設(shè)備，還可作為多路數(shù)據(jù)采集設(shè)備。