本发明属于导航控制领域，特别涉及一种高动态微惯性导航系统。
背景技术：
微惯导系统是基于微机电系统(mems)传感器技术的惯性导航系统，其可以不借助外部信息，通过惯性传感器测量数据来获取载体导航信息，是一种能够适应各种工作环境、抗干扰能力强的自主式导航系统。而目前国内mems惯性器件生产水平还不够高，基于mems惯性传感器的微惯导系统，尤其是运用于高动态环境下的惯导系统与国外先进水平相比仍有较大差距。针对如制导炮弹所需的高动态应用环境下的惯导系统精度低、测量的姿态信息不全等问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种高动态微惯性导航系统，以实现小体积、低成本、在高动态环境下全姿态测量。
实现本发明专利目的的技术解决方案为：
一种高动态微惯性导航系统，包括mems惯性传感器模块、模数转换器模块、arm处理器模块、电源管理模块，
mems惯性传感器模块与模数转换器模块连接，所述模数转换器模块与arm处理器模块连接，所述电源管理模块用于给mems惯性传感器模块、模数转换器模块、arm处理器模块供电，
所述mems惯性传感器模块用于采集加速度、角速度和地磁场信息并将加速度、角速度和地磁场信息以模拟信号形式输出至所述模数转换器模块，所述模数转换器模块用于接收所述模拟信号并转换为数字信号，所述模数转换器模块将所述数字信号输出至arm处理器模块，所述arm处理器模块采集所述数字信号并进行导航解算。
进一步地，mems惯性传感器模块包括一个三轴加速度计、一个大量程单轴加速度计、三个单轴陀螺仪、一个三轴磁强计，mems惯性传感器模块输出的模拟信号通过24位高精度同步采样adc进行采集并转换，所述大量程单轴加速度计的量程为±100g，三个单轴陀螺仪中有两个量程为±450°/s，一个量程为±50000°/s。
进一步地，三轴磁强计的电路包括复位/置位电路和运放电路，复位/置位电路包括mosfet芯片dnc7001，通过arm处理器模块输入脉冲信号控制复位和置位功能，在复位/置位电路输出端连接电容来获得瞬间高电压，从而实现磁强计的复位和置位功能；运放电路包括三个运算放大器ina819，将三轴磁强计的差分信号作为三个运算放大器ina819的输入，三个运算放大器ina819的输出端连接到adc输入通道。
进一步地，所述arm处理器模块包括stm32h743vit6芯片、fram电路、外部晶振电路、rs-422通信接口电路和数字温度计电路，所述fram电路用于存储标定参数与导航初值，所述外部晶振电路用于为处理器stm32h743vit6芯片提供外部时钟频率，所述rs-422通信接口电路用于实现stm32h743vit6芯片与外部设备进行信息交互，所述数字温度计电路用于惯性传感器的温度补偿。
进一步地，电源管理模块包括dc-dc稳压器电路、ldo稳压器电路以及串联电压基准电路。
进一步地，所述dc-dc稳压器电路包括一个dc-dc稳压器tps63070，通过接插件引入 5v电压作为输入，升压至 8v作为ldo稳压器电路以及串联电压基准电路的输入；ldo稳压器电路包括五个ldo稳压器芯片，所述五个ldo稳压器芯片的型号包括tps7a4533、tps709、lp2988、tps7a2650，串联电压基准电路包括两个电压基准芯片ref3450和ref3425，ref3450和ref3425以 8v电压作为输入，ref3450输出 5v电压作为陀螺仪参考电压，ref3425输出 2.5v电压作为运算放大器ina819的参考电压。
进一步地，所述tps7a4533、lp2988、tps7a2650的数量分别为一个，所述tps709的数量为两个，接插件引入的 5v电压作为tps7a4533的输入，dc-dc稳压器输出的 8v电压作为tps709、lp2988、tps7a2650的输入，tps7a4533输出 3.3v为stm32h743vit6芯片、三轴加速度计、数字温度计、fram、有源晶振提供电压源以及作为rs-422接收器芯片参考电压，同时也用于adc的数字电压输入，两个tps709分别输出 5v和 6v电压作为三个单轴陀螺仪的电压源，其中 5v电压作为x轴陀螺仪的电压源， 6v电压作为y轴和z轴陀螺仪的电压源，tps7a2650输出 5v电压作为rs-422接收器芯片的电压源，lp2988输出 5v电压作为三轴磁强计电路、adc以及大量程单轴加速度计的电压源。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本微惯性导航硬件系统通过对mems加速度计、陀螺仪和磁强计的集成设计，能够在高动态环境下对载体的姿态、速度等各项参数进行测量；
(2)以基于contex-m7内核的arm处理器作为mcu，提高了数据处理效率，增强了系统实时性，arm处理器具有高集成度和开发简易的特点，并能在后续设计中与卫星接收机、多源信息融合平台进行联合开发。
附图说明
图1为高动态微惯性导航系统总体框图。
图2为arm处理器电路。
图3为rs-422通信接口电路。
图4为fram存储器电路。
图5为数字温度计电路。
图6为dc-dc稳压器电路。
图7为tps7a4533芯片的ldo稳压器电路。
图8为tps709芯片的ldo稳压器电路。
图9为lp2988芯片的ldo稳压器电路。
图10为tps7a2650芯片的ldo稳压器电路。
图11为ref3450芯片的串联电压基准电路。
图12为ref3425芯片的串联电压基准电路。
图13为ads1299芯片的模数转换器电路。
图14为ads1299芯片的模数转换器电路。
图15为三轴磁强计复位/置位电路。
图16为三轴磁强计运放电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明专利做进一步的介绍。
图1是高动态微惯性导航硬件系统的总体框图，主要包括mems传感器模块2、模数转换器模块3、电源管理模块4以及arm处理器模块1。mems传感器模块2由一个三轴加速度计、一个单轴加速度计、三个单轴陀螺仪、一个三轴磁强计组成，用于测量载体加速度、角速度和磁场信息；模数转换器模块3由两个8通道24位高精度同步采样adc组成，用于对mems惯性传感器模拟信号进行采集，并转换成数字信号输入到arm处理器中；电源管理模块由dc-dc稳压器、ldo稳压器和串联电压基准芯片组成，为整个电路模块提供5v、6v、3.3v和2.5v电压源；arm处理器模块1由fram电路5、数字温度计6、rs-422通信接口电路及处理器电路组成；并且该高动态微惯性导航硬件系统可以与多源信息处理器以及弹载gps接收器进行组合设计。
图2是arm处理器及其外部晶振电路，arm处理器采用的是st公司的stm32h743vit6，处理器的spi1、spi2、spi3通信接口分别与fram和两个adc相连，用于数据交互；i2c通信接口及alert与数字温度计相连，分别用于数据交互以及检测温度过高警报和数据就绪信号；usart串口以及422_de、422_re*与rs-422收发器芯片连接，分别用于通讯传输以及使能接收器输入和输出；st1_acc、st2_acc、st1_gyro、st2_gyro分别与加速度计和陀螺仪的自检端连接，用于提供自检信号；range_acc与三轴加速度计连接，用于选择三轴加速度计量程；stby_acc与两个加速度计相连，用于控制加速度计待机功能；or_acc与单轴加速度计连接，用于检测加速度计超量程信号；*adc_pwdn、*adc_reset与两个adc相连，用于控制adc的掉电复位；adc1_start、adc2_start、*adc1_drdy、*adc2_drdy分别和两个adc连接，分别控制两个adc信号开始转换以及检测adc转换的数据是否就绪；外部晶振为arm处理器提供25mhz时钟频率；swdio和swclk与接插件进行连接，用于程序下载。
图3是rs-422通信接口电路，rs-422收发器采用的是adm3068，支持数据双向通信，tx 、tx-、rx 、rx-分别于接插件连接，用于和外部设备进行通讯；图4是fram电路，通过spi通信接口进行数据传输，用于存储标定参数及导航初值等信息。图5是数字温度计电路，通过i2c进行数据传输，用于惯性传感器的温度补偿。
图6是dc-dc稳压器电路，采用的是tps63070芯片，通过接插件引入外部 5v电压作为芯片输入，通过改变r9和r10阻值来调节输出电压，现升压至 8v为后续电源电路提供电压源；图7是ldo稳压器电路，采用的是tps7a4533芯片，通过接插件引入外部 5v电压作为芯片输入，输出 3.3v电压；图8是ldo稳压器电路，采用的是tps709，通过两个该芯片以 8v电压作为输入，分别输出 5v和 6v电压，单独为陀螺仪供电；图9是ldo稳压器电路，采用的是lp2988，以 8v电压作为输入，输出 5v电压，为三轴磁强计电路、adc以及单轴加速度计提供电压源；图10是ldo稳压器电路，采用的是tps7a2650芯片，以 8v电压作为输入，输出 5v电压，单独为rs-422接收器芯片提供电压源；图11和图12都是串联电压基准电路，都是以 8v电压作为输入，ref3450输出 5v电压，作为陀螺仪参考电压，ref3425输出 2.5v电压，作为运算放大器的参考电压。
图13和图14是模数转换器电路，采用的是24位高精度同步采样模数转换器ads1299，对于第一个adc芯片的数据传输通道分别与三轴加速度计输出端、一个单轴陀螺仪输出端及其温度输出端、三轴磁强计输出相连；第二个adc芯片分别与单轴加速度计输出端、三轴加速度计温度输出端、另外两个单轴陀螺仪的输出端及其温度输出端相连；vcap端口连接相应电容接地；gpio端口连接相应电阻再接地。
图15是三轴磁强计置位/复位电路，采用的是内部含有一个nmos和一个pmos的mosfet芯片ndc7001，该芯片的两个栅极与一个arm处理器i/o端口连接，用于输入置位/复位驱动信号，nmos的源极通过上拉电阻接通 5v电压，pmos的源极接地，两个漏极相接分别通过一个电容接到三轴磁强计置位/复位端口。图16是三轴磁强运放电路，采用的是ina819运算放大器芯片，将磁强计的差分信号分别接入运放的正、负输入端，通过r15来设置放大系数，再将输出连接至adc，需要三个相同的运放电路来处理三轴磁强计的输出信号。
以上仅为本发明专利的优选实施例，并不用于限制本发明专利，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明设计构思的前提下，可以对本发明进行若干改进与替换，这些改进与替换均落入本发明保护范围之内。
1.一种高动态微惯性导航系统，其特征在于：包括mems惯性传感器模块(2)、模数转换器模块(3)、arm处理器模块(1)、电源管理模块(4)，
mems惯性传感器模块(2)与模数转换器模块(3)连接，所述模数转换器模块(3)与arm处理器模块(1)连接，所述电源管理模块(4)用于给mems惯性传感器模块(2)、模数转换器模块(3)、arm处理器模块(1)供电，
所述mems惯性传感器模块(2)用于采集加速度、角速度和地磁场信息并将加速度、角速度和地磁场信息以模拟信号形式输出至所述模数转换器模块(3)，所述模数转换器模块(3)用于接收所述模拟信号并转换为数字信号，所述模数转换器模块(3)将所述数字信号输出至arm处理器模块(1)，所述arm处理器模块(1)对所述数字信号进行采集并进行导航解算。
2.根据权利要求1所述的高动态微惯性导航系统，其特征在于：mems惯性传感器模块(2)包括一个三轴加速度计、一个大量程单轴加速度计、三个单轴陀螺仪、一个三轴磁强计，mems惯性传感器模块(2)输出的模拟信号通过24位高精度同步采样adc进行采集并转换，所述大量程单轴加速度计的量程为±100g，三个单轴陀螺仪中有两个量程为±450°/s，一个量程为±50000°/s。
3.根据权利要求2所述的高动态微惯性导航系统，其特征在于：三轴磁强计的电路包括复位/置位电路和运放电路，复位/置位电路包括mosfet芯片dnc7001，通过arm处理器模块(1)输入脉冲信号控制复位和置位功能，在复位/置位电路输出端连接电容来获得瞬间高电压，从而实现磁强计的复位和置位功能；运放电路包括三个运算放大器ina819，将三轴磁强计的差分信号作为三个运算放大器ina819的输入，三个运算放大器ina819的输出端连接到adc输入通道。
4.根据权利要求3所述的高动态微惯性导航系统，其特征在于：所述arm处理器模块(1)包括stm32h743vit6芯片、fram电路(5)、外部晶振电路、rs-422通信接口电路和数字温度计电路(6)，所述fram电路(5)用于存储标定参数与导航初值，所述外部晶振电路用于为处理器stm32h743vit6芯片提供外部时钟频率，所述rs-422通信接口电路用于实现stm32h743vit6芯片与外部设备进行信息交互，所述数字温度计电路(6)用于惯性传感器的温度补偿。
5.根据权利要求4所述的高动态微惯性导航系统，其特征在于：电源管理模块(4)包括dc-dc稳压器电路、ldo稳压器电路以及串联电压基准电路。
6.根据权利要求5所述的高动态微惯性导航系统，其特征在于：所述dc-dc稳压器电路包括一个dc-dc稳压器tps63070，通过接插件引入 5v电压作为输入，升压至 8v作为ldo稳压器电路以及串联电压基准电路的输入；ldo稳压器电路包括五个ldo稳压器芯片，所述五个ldo稳压器芯片的型号包括tps7a4533、tps709、lp2988、tps7a2650，串联电压基准电路包括两个电压基准芯片ref3450和ref3425，ref3450和ref3425以 8v电压作为输入，ref3450输出 5v电压作为陀螺仪参考电压，ref3425输出 2.5v电压作为运算放大器ina819的参考电压。
7.根据权利要求6所述的高动态微惯性导航系统，其特征在于：所述tps7a4533、lp2988、tps7a2650的数量分别为一个，所述tps709的数量为两个，接插件引入的 5v电压作为tps7a4533的输入，dc-dc稳压器输出的 8v电压作为tps709、lp2988、tps7a2650的输入，tps7a4533输出 3.3v为stm32h743vit6芯片、三轴加速度计、数字温度计、fram、有源晶振提供电压源以及作为rs-422接收器芯片参考电压，同时也用于adc的数字电压输入，两个tps709分别输出 5v和 6v电压作为三个单轴陀螺仪的电压源，其中 5v电压作为x轴陀螺仪的电压源， 6v电压作为y轴和z轴陀螺仪的电压源，tps7a2650输出 5v电压作为rs-422接收器芯片的电压源，lp2988输出 5v电压作为三轴磁强计电路、adc以及大量程单轴加速度计的电压源。
技术总结