王 梅
(江苏海事职业技术学院，江苏 南京 211170)
摘要: 船舶惯性导航系统和船舶上的GPS、北斗导航等对保障船舶安全航行、规划最佳航线都具有重要作用。在惯性导航系统中对陀螺仪以及加速度计的信号采集至关重要，本文对惯性导航系统和陀螺仪的原理进行阐述，并以陀螺仪信号采集为例，提出了一种基于PCI总线的陀螺仪信号采集系统，并重点设计了陀螺仪信号采集的放大电路和滤波电路，最后对陀螺仪信号标定进行研究。本文采用的系统设计方案具有普遍适用性，因而可以在各类船舶惯性导航系统中推广，且具有良好的稳定性。 关键词：PCI总线；惯性导航系统；陀螺仪；标定
中图分类号：U642.1 文献标识码：A
文章编号： 1672 – 7649(2018)7A – 0112 – 03 doi：10.3404/j.issn.1672 – 7649.2018.7A.038
Research on data acquisition of inertial navigation system of ship
WANG Mei
(Jiangsu Maritime Institute, Nanjing 211170, China)
Abstract: The ship's inertial navigation system and GPS and beidou navigation are of great importance to ensure the safe navigation and planning of the best routes. In inertial navigation system of gyroscope and accelerometer signal acquisi-tion is critical, in this paper, the inertial navigation system and the principle of gyroscope are expounded, and the gyroscope signal acquisition, for example, this paper proposes a gyroscope signal acquisition system based on PCI bus, and the key design the gyro signal acquisition of amplifying circuit and filter circuit, the last of the gyroscope signal calibration were studied. The system design scheme adopted in this paper has universal applicability, so it can be popularized in various ships inertial navigation system, and the system has good stability.
光刻法Key words: PCI bus；inertial navigation system；gyroscope；calibration
0 引 言
在海洋上航行的船舶不仅需要GPS、北斗导航等的支持，而且还需要惯性导航系统来获取自身坐标位置，以保证航向没有发生偏离。因而船舶惯性导航系统是现代船舶不可或缺的一部分[1]。船舶惯性导航系统是利用惯性技术进行导航，惯性技术是利用惯性和其他有关原理，对目标进行独立控制和测量
buck电路图
的技术。惯性技术可以应用于惯性制导、惯性导航以及惯性测量等，不仅可以应用于船舶，同时也可以大量应用于军事领域。
在惯性导航系统中陀螺仪是重要的组成部分，惯性导航系统是通过采集陀螺仪的信号，然后将陀螺仪的信号进行处理和分析从而获得当前载体的速度、加速度以及位置信息，因而获取陀螺仪信号的准确性以及稳定性是惯性导航系统中重要的研究内容。目前国内外有很多研究所和学校都对陀螺仪信号的获取和分析进行研究，并且取得了很多研究成果。在陀螺仪数据采集方面一般使用嵌入式系统和信号处理电路获取陀螺仪信号，然后加以处理后在显示器上显示。本文在充分查阅文献的基础上，提出了一种基于PCI总线的船舶陀螺仪信号采集系统，重点对信号采集过程中的硬件电路进行设计。
1 惯性导航系统及陀螺仪的原理
1.1 惯性导航系统的分类及原理
惯性导航系统可以分为平台式惯性导航系统和捷
第40 卷 第 7A 期舰 船 科 学 技 术Vol. 40, No. 7A 2018 年 7 月SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY Jul. , 2018
收稿日期: 2018 – 05 – 30
导联线
基金项目: 江苏省高等教育教学改革研究课题资助项目(2017JSJG315)
作者简介: 王梅(1968 – )，女，硕士，副教授，主要从事软件技术和大数据分析研究。
联式惯性导航系统。本文以捷联式惯性导航系统为目标，研究陀螺仪的信号采集过程。
捷联式惯性导航系统将陀螺仪或者加速度计固定在载体上，并且建立一个惯性坐标系，通过加速度计或者陀螺仪获取载体在3个方向上的速度、加速度等，并且通过一系列的计算方法以及坐标变换，从而获取船舶的航向、速度等导航信息。捷联式惯性导航系统目前已经广泛应用于航空、舰船等导航系统中，并且随着计算机技术的不断发展，使得坐标的计算更加快速和精确。图1所示为捷联惯导系统的原理框图，加速度组件和陀螺仪组件都在运载体上，当运载体发生运动时就可以获取沿运载体方向的轴向加速度和角速度，最后通过运载体系和地理坐标系之间的方向余弦矩阵获取沿地理坐标系的加速度分量，最后发送到导航计算机，得到载体的位置和速度[2 – 3]。
相比于平台式惯性导航系统，捷联式惯性导航系统应用的更为普遍，这是由于系统的成本更低，同时它的可靠性也更高，现在除了少数军事用途外，其他应用中基本都使用捷联惯导系统。
1.2 陀螺仪的原理
在捷联式惯性导航系统中，陀螺仪是最为重要的元件。一般来说，陀螺仪都会安装在一个支架或者固
定的装置上，根据旋转转子能够围绕旋转轴的根数可以分为2种，如果是1根轴则为单自由度陀螺仪，如果为2根轴则为二自由度陀螺仪。随着微机电技术的发展，通过将MEMS技术引入到陀螺仪中，使用微电子和微加工技术（最为典型的是LIGA以及各种刻蚀技术）进行有效结合，因而现在陀螺仪的体积非常小。
微机械陀螺仪应用于船舶惯性导航系统具有非常显著的优势，具体体现在[4]：
1）成本低，功耗低，由于微机械陀螺仪的体积非常小，因而本身在工作时的功耗也低；
2）可靠性很高；
3）量程大，并且信号容易测量。
MEMS陀螺仪利用科里奥利力，图2为一简单MEMS陀螺仪原理图，其工作原理为当载体发生旋转时，载体发生径向运动时陀螺仪会受到一个切向力，这个力就是科里奥利力。在运动时，科里奥利力会不断发生变化，这些运动会导致电容的微小变化，因而可以通过测量电容的变化值进而获取当前载体的运动情况。
2 船舶惯性导航系统数据采集
2.1 系统结构设计
对于船舶惯性导航系统而言，需要采集加速度计和陀螺仪的信号，并且所获取信号的准确程度以及系统的可靠性将直接决定惯性导航系统的性能指标。本文以陀螺仪信号采集为例说明数据采集以及处理过程。
陀螺仪信号采集系统结构如图3所示。考虑到惯性导航系统数据运算的需求，采用工控机来实现对陀螺信号的采集，并且由于微机械陀螺仪的输出信号不能直接被计算机识别，因而需要对陀螺仪的输出信号进行一系列的处理。系统主要包括信号放大电路、信号滤波电路、PCI采集卡以及工控机等。
系统的工作过程为：首先陀螺仪的信号经过信号放大电路将原有的信号电压放大，然后再使用滤波电路滤除信号中的电流噪声，保证最后采集到的信号尽量准确。最后使用PCI数据采集卡采集陀螺仪的信号。PCI采集卡型号为PCI1727U，能够同时采集16路模拟输入，采集信号范围：±10 V，0～20 mA。
图 1 捷联惯导系统原理框图
Fig. 1 Principle block diagram of the strap down inertial
navigation system
图 2 MEMS陀螺仪原理示意图
Fig. 2 Schematic diagram of MEMS gyroscope principle
图 3 系统结构
Fig. 3 The system structure
第 40 卷王 梅：船舶惯性导航系统的数据采集研究· 113 ·
2.2 硬件电路设计
在惯性导航系统数据采集中，对于信号的处理电路尤其关键。对于微机械陀螺仪而言，由于采用了微加工技术，因而实际的电容值变化非常小，导致其输出信号的变化也非常小，并且输出信号容易受到周围噪声信号的影响，如何有效获取微机械陀螺仪的信号是硬件电路设计的关键[5]。
首先需要对输出信号进行放大，图4为设计的信号放大电路，使用3片LM358来实现，通过改变相关电阻的值即可改变信号放大倍数。
ω=1
RC 图5为设计的滤波电路。根据公式，调整R7，R8以及C2的值即可以改变滤除杂波信号的频
率。此电路可以实现当杂波信号超过一定频率时无法通过，而正常采集的信号则不受影响。
在获取陀螺仪信号之后，并不能正确计算出船舶的相关位置信息，这是由于陀螺仪的信号必须要经过标定之后才能使用，并且陀螺仪在船舶上安装会产生一定的误差，以及由于温度的变化所产生的温度漂移等，这些因素都会造成陀螺仪信号的不准确。因而在完成陀螺仪信号处理的硬件电路设计之后需要搭建测试系统，并且采用成熟的惯性导航系统进行对比实验，以保证测量数据的准确性。测试主要包括静态测试和动态测试，测试方法分别如下：
首先对陀螺仪进行静态测试，保持陀螺仪在静态情况下输出信号的稳定性，并且通过改变朝向观察输出信号是否会发生固定变化。
然后进行动态测试，使用某型号的转台，将陀螺仪安装在该转台上固定，保持转台以一固定速率转动。
通过以上静态测试和动态测试发现，本文设计的船舶陀螺仪信号采集系统能够实现信号采集，并且采集信号具有较高准确度。
3 结 语
船舶导航系统对于保证船舶安全航行具有非常重要的意义。船舶导航系统的数据采集是当下研究的热点，本文对捷联式惯性导航系统中陀螺仪的信号采集进行了重点研究，提出了一种基于PCI总线的数据采集系统，并设计了信号采集的硬件电路，对陀螺仪信号的标定进行了相关研究。
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水泥装袋机
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超导空调
金光明, 张国良, 陈林鹏, 等. MEMS陀螺仪静态漂移模型与滤波方法研究[J]. 传感器与微系统, 2007(11): 48–50.
[5]
图 4 信号放大电路
pe附着力促进剂Fig. 4 Signal amplifier circuit
图 5 滤波电路
Fig. 5 Filter circuit
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