基于光纤陀螺的DGPS_DR组合导航定位系统的设计与实现

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计算机测量与控制.2010.18(6) ComputerMeasurement&Control

文献标识码:A

设计与应用

文章编号:1671 4598(2010)06 1394 03 中图分类号:V249

基于光纤陀螺的DGPS/DR组合

导航定位系统的设计与实现

魏 鹏1,张志强1,张春熹1,厉秉强2,杜 强3

(1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京市 100191;

2 国家电网公司机器人重点实验室,山东济南 250002;3 山东电力集团公司潍坊供电公司,山东潍坊 261041)

摘要:针对导航定位系统是变电站设备巡检机器人的关键技术之一,设计了一种由光纤陀螺仪、里程仪、加速度计、差分GPS和FPGA/DSP构成的导航计算机组成的硬件系统,并基于差分GPS定位、航位推算(DR)导航原理设计了该组合导航系统软件,系统采用了初始自寻北、切换式组合导航定位方式,该方法简单易行、实用性较强,实验表明该系统能为变电站设备巡检机器人提供连续、实时、较高精度的导航定位。

关键词:巡检机器人;组合导航系统;航位推算;FPGA/DSP;光纤陀螺

DesignandRealizationofDGPS/DRIntegratedNavigationandPositioningSystemBasedonFiberOptic-gyro

WeiPeng1,ZhangZhiqiang1,ZhangChunxi1,LiBingqiang2,DuQiang3

1 SchoolofInstrumentScienceandOpto-electronicsEngineering,BeijingUniversity

ofAeronauticsandAstronautics,Beijing 100191,China;

2 RobotLaboftheStateGridCorporationofChina,Jinan 250002,China;

3 WeifangDepartmentoftheShandongElectricPowerCorporation,Weifang 231041,China)

Abstract:Thenavigationandpositioningsystemisthekeytechnologyfortherobotinthetransformersubstationtoinspecttheequip ment.Therefore,thepapermadeupthehardwaresystem,whichconsistsofthefiberoptic-gyro(FOG)、milemeter、accelerometer、DGPSreceiverandthenavigationcomputerbasedonFPGA/DSP.Also,thesoftwareofthisintegratednavigationandorientationsystemwasdesignedbasedonthedifferentialGPS(DGPS)andDeadReckoning(DR)principle,thesystemadoptsthemethodoftheself-north-seekerandswitching-integratednavigation.Themethodissimpleandeasilyfeasible,meanwhile,thesystemhasgoodpracticability.Theexperimentindicatesthatthissystemprovidestotherobotofinspectingtheequipmentinthetransformersubstationwithcontinuous,real-time,accuratenavigationandposition.

Keywords:inspectionrobots;integratednavigationsystem;deadreckoning(DR);FPGA/DSP;fiberoptic-gyro

0 引言

变电站设备巡检机器人对高压设备检测的关键技术之一是给机器人的运动控制系统提供连续、实时、精确的位置、航向

等导航信息,使其沿预定的路径行驶并完成检测任务,而利用基于差分GPS/DR组合导航定位系统[1 2]是一种GPS定位精度高、实时性好和DR(Dead-Reckoning)自主导航定位短时精度高相组合的特点,能使系统在GPS信号受变电站高压电场和强磁场干扰等因素的影响而中断时使用DR进行导航定位,同时当GPS有效时,利用其定位精度高的特点不断校正DR随时间累积的导航定位误差,两者扬长避短,使机器人获得更高的定位精度,提高系统可靠性[3]。

其中,DR自主导航定位系统是使用光纤陀螺、里程仪、加速度计等传感器来测量小车的角速度、位移、比力信息,由

收稿日期:2009 12 21; 修回日期:2010 01 28。基金项目:国家电网公司资助项目。

作者简介:魏 鹏(1971 ),男,山东潍坊人,讲师,博士,主要从事自动化控制、惯性导航控制、组合导航系统方向的研究。

此解算出机器人的航向、位置、姿态等信息,这些外围传感器信号以及GPS信号都需要由FPGA/DSP构成的导航计算机进

行采集、传输和处理,其中,大容量逻辑门数FPGA可以进行多通道高速并行数据采集和时序控制,高速DSP实现导航运算。本文将介绍差分GPS/DR组合导航系统的软硬件设计及实现。

1 GPS/DR组合导航系统设计

DGPS/DR组合导航系统总体构成如图1所示。

系统硬件结构主要包括DR单元、差分GPS接收机,导航计算机、数据采集和接口电路、通信电路和机器人系统等,系统设计主要包括了导航系统的硬件电路、FPGA下载程序和DSP配置程序及导航算法设计。整个导航系统工作过程为:导航系统将初始数据信息传送给导航计算机,用于系统导航解算时的初始自寻北,并确定相应的通信协议,导航计算机通过从数据采集系统获得外围传感单元和GPS接收机的信息完成组合导航系统的方向、位置和姿态计算,并将数据通过标准串口(如RS 422或RS 232)传输到机器人控制系统。

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