基于MSP430F149的室外移動(dòng)機(jī)器人高精度組合導(dǎo)航系統(tǒng)

對(duì)于在室外環(huán)境工作的移動(dòng)機(jī)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(qiáng)、隱蔽能力好和輸出參數(shù)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(jī)數(shù)據(jù)更新頻率低等缺點(diǎn)。因此工程上常常將兩者互補(bǔ)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(jì)了能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)接收機(jī)、慣性測(cè)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(jìn)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(dòng)機(jī)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(cè)量信息高速采集系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是利用單片機(jī)有限的接口資源實(shí)現(xiàn)了多傳感器信息并行采集，設(shè)計(jì)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(cè)疏漏導(dǎo)致的無(wú)法接入問(wèn)題，給出了機(jī)器人組合定位的基本方法。系統(tǒng)充分利用了MSP430F149單片機(jī)的能力，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低功耗、對(duì)傳感器具有普適性等優(yōu)點(diǎn)。

本系統(tǒng)由電源、氣壓計(jì)接口、IMU接口、GNSS接收機(jī)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(shí)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(jì)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(gè)部分。IMU數(shù)據(jù)接收與解析功能用來(lái)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(lái)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(jì)數(shù)據(jù)接收與解析功能用來(lái)獲取高度信息；組合導(dǎo)航解算功能為系統(tǒng)核心，用來(lái)進(jìn)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(jī)都是RS-232電平的UART接口，具有通用性，用戶(hù)可根據(jù)成本考慮不同精度的設(shè)備。氣壓計(jì)選用美國(guó)MEAS公司生產(chǎn)的MS5803-02BA，已經(jīng)固化在電路中。

整個(gè)組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)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(jī)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(zhuǎn)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(hào)(PPS)、一個(gè)外部中斷引腳捕獲MAX3111E中斷信號(hào)。

MSP430F149管腳資源分配如表1所示。