大牛教你如何設(shè)計(jì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)？

車(chē)載導(dǎo)航是利用車(chē)載GPS（全球定位系統(tǒng)）配合電子地圖來(lái)進(jìn)行的，它能方便且準(zhǔn)確地告訴駕駛者去往目的地的最短或者最快路徑，是駕駛員的好幫手。本文介紹的是研制一個(gè)輪式小車(chē)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠通過(guò)wifi實(shí)現(xiàn)PC終端和手持終端控制輪式小車(chē)行動(dòng)以及小車(chē)所采集數(shù)據(jù)的傳輸。
而本文介紹的是研制一個(gè)輪式小車(chē)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠通過(guò)wifi實(shí)現(xiàn)PC終端和手持終端控制輪式小車(chē)行動(dòng)以及小車(chē)所采集數(shù)據(jù)的傳輸。搭建如下圖1所示的系統(tǒng)，TI公司的浮點(diǎn)DSPTMS320F28335芯片作為主數(shù)字信號(hào)處理器，采集各MEMS慣性傳感器的信號(hào)并處理，處理結(jié)果通過(guò)WIFI將數(shù)據(jù)輸送到PC終端;PC終端負(fù)責(zé)顯示定位結(jié)果和地圖顯示，并向小車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送控制命令，同時(shí)接收驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)反饋的里程計(jì)信息。

圖1 總體架構(gòu)

硬件設(shè)計(jì)上，主要分為核心板和驅(qū)動(dòng)板。核心板包括DSP最小系統(tǒng)，JTAG下載口設(shè)計(jì)，系統(tǒng)電源供給電路和MEMS傳感器，WIFI模塊等。而驅(qū)動(dòng)板主要設(shè)計(jì)的內(nèi)容是直流大電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊。
　　
電路原理
　　
電源電路設(shè)計(jì)

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圖2 DSP電源設(shè)計(jì)

TMS320F28335工作時(shí)需要的電壓不同：內(nèi)核電壓（1.9 V）與I/O供電電壓（3.3 V），對(duì)于電源比較敏感，所以電源部分利用兩路輸出電源器件TPS767D318來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。同時(shí)根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際焊接電路的測(cè)試，電源模塊輸出端最好使用一些容值不小于10uf的保護(hù)電容，且不能使用貼片電容，否則工作不穩(wěn)定。
　　
在電源設(shè)計(jì)中，考慮到TPS767D318芯片可以產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，所以在核心板上并沒(méi)有再另外為DSP設(shè)計(jì)復(fù)位電路。

JTAG下載口電路設(shè)計(jì)

圖3 JTAG電路設(shè)計(jì)　

圖3為JTAG電路，按照仿真器的通信引腳選擇14腳的仿真接口，同時(shí)要注意EMU0和EMUl信號(hào)必須通過(guò)上拉電阻連接至電源，其中上拉電阻為10kΩ。
　　
小車(chē)驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)

圖4 驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)

在本裝置中，我們采用BTS7960作為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。BTS7960是集成的大電流半橋驅(qū)動(dòng)，其內(nèi)部包含了一片NMOS、一片PMOS和一片半橋門(mén)集驅(qū)動(dòng)，在IOUT = 9 A，VS= 13.5V，Tj = 25 °C 時(shí)，其內(nèi)阻抗為17mΩ。裝置采用了兩個(gè)直流大電機(jī)，如圖4所示為驅(qū)動(dòng)單個(gè)電機(jī)前后轉(zhuǎn)向的電路圖。

圖5 TLP521隔離電路

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)這里，需要注意一個(gè)細(xì)節(jié)，就是電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中有可能會(huì)產(chǎn)生反向的電動(dòng)勢(shì)，使電流一瞬間過(guò)大，導(dǎo)致單片機(jī)復(fù)位甚至有可能燒壞芯片。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以考慮在單片機(jī)PWM輸入到電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口的地方添加光耦器件隔離或者二極管。如圖5所示，驅(qū)動(dòng)板選擇了tlp521-4這種光耦器件設(shè)計(jì)隔離電路，減小電壓的干擾，減化電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)也把四路PWM的I/O電平從3.3上拉到5V。
　　
編者結(jié)語(yǔ)
　　
本文所設(shè)計(jì)的輪式小車(chē)室內(nèi)慣性導(dǎo)航裝置，分析了該軟件設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊的具體實(shí)現(xiàn)方法。經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到移動(dòng)機(jī)器人的位置信息，并對(duì)其能實(shí)現(xiàn)有效控制。同時(shí)其低成本、高精度、易操作的特點(diǎn)將進(jìn)一步應(yīng)用于例如巡邏機(jī)器人、救援機(jī)器人等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，必將吸引國(guó)內(nèi)外眾多的投資商對(duì)其投資并進(jìn)行更進(jìn)一步的研發(fā)與應(yīng)用，使其有著十分廣大的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)前景、應(yīng)用前景和市場(chǎng)前景。

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