基于MCU的室外移动机器人组合导航定位系统

　　3.2数据的采集和处理方法

　　IMU和GNSS接收机的数据会主动发送到430单片机的UART接口，本文采用中断接收的方式接收数据，将每次到来的一个字节循环存储在指定的存储区;气压计需要430单片机查询式获取高度信息。因此当需求IMU或者GNSS信息的时候，需要在存储区内扫描数据，扫描依据是设备发送一帧数据的协议(帧头、帧尾、CRC等)，再根据协议获取相应物理量的数值;当需要高度信息的时候，需要430单片机对气压计发送控制字获取信息。在对IMU和GNSS信息扫描时需要一个变量ptr保存有效数据的首地址在存储区内的偏移地址，为了不重复使用已用数据，需要在利用完信息后，破坏这一帧有效数据的帧头帧尾。

　　另外需要注意，使用循环存储数据和扫描取用这种方式，需要数据的处理速度比数据的接收速度快，否则旧数据会被新数据覆盖。

　　3.3高度计算方法

　　高度信息的获取需要通过MS5803-02BA获取的气压信息转换得到。对这款气压计的操作，需要先在芯片内部的PROM获取C1~C6六个参数，再获取温度ADC结果D1和气压ADC结果D2，最后利用官方提供的计算公式计算得到带补偿的气压值。气压值获取的软件流程图如图6.

　　图6高度计算流程图

　　按照气压计的用户手册中提供的计算公式，最后可以计算得到一个经过温度补偿的标准气压值，单位mbar.高度信息的获取还需要将气压值经过函数关系转换。高度h和标准大气P之间有如下函数关系：

　　Th=288.15K，是g0对应高度下的温度下限值;β=-6.5K/km，是温度的垂直变化率;H=0m，是g0对应的高度;Ph=101325Pa，是g0对应高度下的气压下限值;R=287.05287m2/(K●s2)，是气体常数;g0=9.80665m/s2，是海平面重力加速度。

　　在气压与高度的关系转换中，本文采用分段线性化的方法拟合它们的非线性关系。在不同气压值区间内，线性化公式得到h=a●P+b，取得不同的线性参数a、b，参考表4.

　　3.4组合导航的时间对准

　　进行组合导航滤波解算时，从IMU和GNSS接收机接收到的数据在时间上应该是同步的，因为如果在一个数据融合点上，进入Kalman滤波器的来自两个子系统中的数据来自不同的时间点，会给滤波计算带来误差，同时也会给校正计算带来影响。GNSS接收机输出的导航数据都带有精确的时间标签，而从IMU输出的数据只有一个相对时间标签。以GNSS接收机的时间标签作为时间基准，分析时间差的组成。系统时间示意图如图7所示。

　　图7系统时钟示意图

　　3.4.1时间差分析

　　当一个GNSS数据(1Hz)到来时，接收机产生一个秒脉冲信号(PPS)，用于时间对准。GNSS接收机本身存在数据时延：接收机整个计算过程会产生一个解算时间延迟△t1、从卫星导航接收机和惯导系统输出的数据分别经过McBSP和RS-232数据接口输入导航解算处理器会产生一定的传输延迟△t2.因此在PPS信号前的△t1+△t2时刻才是当前接收到的GNSS数据帧的真实时刻。IMU数据处理时间相对于递推时间来说很小，可以忽略。另外PPS脉冲信号和惯性测量信号之间的时间差△τ，它描述GNSS绝对时间和IMU相对时间之间的关系，使得GNSS和IMU统一在同一个时间标准下。

　　3.4.2处理思想

　　根据总时间差△T =△t1+△t2+△τ，找到IMU数据对应的插值时刻。通过时间△T就可以获得对准时间点与最近的两个惯性采集时刻，其后对时间同步点两侧时间点上，即图中t(k-1)和t(k)时间点的惯性数据进行线性插值运算，就可以获得了惯导数据和GNSS接收机数据在同一时间点上的同步化测量数据。

　　3.4.3实施方法

　　GNSS接收机解算时间△t1由接收机提供。

　　传输时间△t2通常为一个固定时间，使用示波器分别测量GNSS接收机发送时间和导航解算电路的接收时间，再将两个时间作差即可获得。

　　△τ的获取需要开启MSP430F149的计时器和外部中断，通过中断计时的方式获得。具体方法是：通过将PPS信号接入导航处理器的外部中断接口，采用边沿触发方式触发中断事件的发生。中断事件启动计时器工作。当通过串口中断方式接收到IMU数据时，读取计时器的值，即可得到IMU数据相对于PPS的延迟时间△τ。

　　结论

　　本文基于MSP430F149单片机设计的室外移动机器人组合导航定位系统，通过接口的扩展使得该款定位系统能够接入IMU、GNSS接收机、气压计三路信息，完成初步导航定位服务功能，同时可作为多路数据采集设备，将多路数据整合到一路高速输出接口，用于进一步的高精度导航解算。该系统根据使用者的需求不同，可接入不同成本和精度的设备，只要满足RS-232协议即可。笔者将其实际运用，整个系统充分利用该款单片机的资源，结构简单、功耗低、适用范围广，不仅可作为初步导航定位服务的设备，还可作为多路数据采集设备。