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2009年12月第4期导航

基于旋转调制的MEMS捷联惯导系统设计

孟庆季，徐烨烽，钟海波

(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191)

摘要：根据惯性器件旋转调制原理，设计基于MEMS惯性器件的旋转调制式捷联惯导系
统。在阐述系统的工作原理和结构技术特点基础上，主要从系统硬件设计、软件设计方面介绍系
统研制过程。系统硬件电路主要包括基于F28335的数据采集电路、基于ADS1258高精度A／D采
集电路、直流电机PWM控制电路。基于DSPF28335平台下开发系统嵌入式软件主要完成数据
采集、旋转控制、导航解算等功能。实验表明，系统可以有效提高MEMS惯性器件性能对比同
精度水平系统具备较大成本优势，是一种比较理想低精度惯导系统。
关键词：MEMS；旋转调制；捷联惯导系统；TMS320F28335

惯性导航系统是制导武器的核心部件之一，同对某个固定的坐标系(一般选载体坐标系)旋转，
时惯导系统占据了制导武器较大部分成本，所以降从而使得与旋转轴正交方向的陀螺、加速度计常值
低惯导系统成本对降低武器系统成本具有重要意(或慢变)误差被调制为均值为零的周期变化量，
义。一直以来降低惯导成本都是惯导系统研制的一不再成为影响系统精度的主要因素【2J。如图1所示，
个主要方向，MEMS惯性器件具有成本低廉、可靠设X向陀螺的漂移为，加计零偏为V．，z向陀螺
性高、体积重量轻、便于开发等特点，因此其成为
的漂移为，加计零偏为V一，平台绕Y轴(弹体
低精度惯导器件的发展方向。利用MEMS器件组纵轴)以09的角速度旋转，如图1所示，则载体系
成导航系统必将很大程度的降低系统成本，但是目的等效陀螺漂移和加速度计零偏的表达式有：
前国内尚没有MEMS惯性器件能满足实际武器系
统对惯导系统的精度要求。旋转调制方法可以很好么JLz
的提升惯性器件的精度，已应用到高精度惯导系统／Qf
的研制中。本文设计一套基于MEMS旋转调制式
的捷联惯导系统，旨在将旋转调制技术应用于
D
MEMS惯导系统，提升现有MEMS惯性器件性能＼＼
使其可以满足低精度制导武器在成本、精度、体积、
重量等方面的要求，将MEMS器件应用于制导系
统。MEMS惯性器件经旋转调制后精度可达到现有图1绕载体系y轴旋转调制示意图
低精度光纤陀螺的水平，并具有明显的成本优势，
系统将成为一种比较理想低精度惯导系统。JcosCOt—sn倒(1)
【exsin+COSOX
1调制的基本原理

旋转调制技术是一种提高惯性导航系统性能』V一s倒一Vzsincot(2)
的专门技术，它通过旋转机构将惯性器件敏感轴相【Vz=Vsin+V：COSCOt
由式(1)和式(2)可知，陀螺的常值漂移和
收稿日期：2009．10．20。项目支持：国家985工程二期空基
加速度计的零偏均被调制成均值为零的正弦信号，
体系感知科技创新平台。孟庆季(1984_．)，男，吉林省伊通县
这样漂移和零偏的积分值便不发散，大大提高系统
人，硕士研究生，研究方向：惯性导航系统，惯导初始对准。
·16·导航2009证

的导航精度。作为处理核心，电路可分解为高精度A／D采集电
路、SPI数据采集电路、QEP正交编码电路等几部
2硬件电路系统设计分。
旋转控制模块主要完成对电机正反整周运动
系统整体由旋转惯性测量单元(IMu)和电子的选择控制，满足旋转IMU的调制要求。由DSP
部件组成。控制中心(与数据采集模块共用)、执行部件直流
旋转IMU采用单轴旋转调制结构，由旋转结力矩电机、角度反馈测量传感器圆光栅和PWM功
构体、陀螺／；OH计测量单元和直流力矩电机组成。如率放大电路组成。
图2所示，系统载体坐标系O-XYZ，X方向和z方导航计算机接收旋转IMU惯性测量信息、GPS
向安装MEMS陀螺和加速度，平面所在的台体测量信息，完成惯性测量信息的角度分解和导航解
可在电机拖动下绕Y轴正反整周旋转，对陀螺的漂算，并对外输出导航结果。
移和加速度计的零偏进行调制。Y方向固定安装
MEMS陀螺和加速度计，其输出信号不经过旋转调3硬件单元电路设计
制直接使用。MEMS惯性传感器分别选用了美国
AD公司生产的ADIS16130MEMS陀螺和瑞士3．1数据采集模块电路设计
CLYBRIS公司的MS8002MEMS加速度计。
数据采集电路的处理核心选用TI公司
ADIS16130陀螺的零偏稳定性约为20度／小时，内
TM$320F28335DSP处理芯片，TM$320F28335是
置A／D转换电路，角速率直接SPI数字输出。
最新推出的控制用DSP，具备丰富的外设接口资源
MS8002加速度计的零偏稳定性<0．05mg，加速度测
和强大的浮点运算能力。F28335主频可以达到
量输出为模拟电压输出。
150MHz，内置