基于同步采集系统的DR 导航实验结果分析

张延顺，孙雪，李明，黄萍

（北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191）

建设研究型大学，培养具有创新型和实践能力的复合型人才是现代大学的努力目标。而实验教学是实现这一目标的有效手段。我国高校都认识到这一点，都逐渐重视实验教学。国家和教育部也在实验教学方面加大了投入。各学校相继建设了实验平台、实验设备，并配套开设了相关实验课程。实验教学在学生素质教育、专业教育中起到重要作用，实验教学规模有了较大的提升，教学效果的问题开始凸显出来。实验教学中存在什么问题？如何进一步提高教学效果，更好地发挥实验教学的作用？这是目前我们从事实验教学教师需要考虑的问题。根据各自专业特点和实验项目特点，提出相应的解决办法是解决上述问题的有效方法。国内有高校开始探索采用多元化评价手段对实验结果进行考核。通过对国外大学专业课程设计特点调研得出如提高实践教学效果，需要提高教师队伍的专业能力、提倡进行团队式指导、强调设计题目的创新性和增加对实验结果的考核。为提高本学校惯性测量类课程实验教学效果，本文分析了本科导航专业实验项目特点，搭建了数据同步采集平台，并用于高、低精度导航系统实验结果对比分析。

1 惯性测量类实验课程与项目特点

惯性技术是一门多学科交叉的综合性技术，是前沿技术与基础工业相结合的一种技术，是国防基础技术的一项关键技术。随惯性传感器、惯导系统成本下降，社会对惯性测量类人才和知识需求增加，这对学生培养也提出了新的需求。惯性技术内容抽象、枯燥，学生不易理解，特别是惯性空间的概念学生很不容易理解。因此，通过不同运动状态下惯性器件、惯性导航系统输出数据的对应关系来加强对惯性系统相关概念、特性的理解是很有必要的。而应用实际系统进行实验能取得比较好的效果。但存在高精度惯性系统价格昂贵、低精度系统性能不好的现状，有些实验项目达不到理想效果。特别是涉及惯性导航算法、复杂点的综合性设计型实验中，用低精度系统做出的实验数据误差较大，不好给学生清晰的量化认识。即使应用科研上的高精度系统与我们实验系统输出计算结果进行对比，也由于不能把高精度、低精度系统进行同步数据采集，而使对比结果不能反映真实情况。为达到真实数据的对比效果，需要建设同步数据采集系统，把高精度系统和低精度系统输出的数据同步采集对比，才能分析出惯性测量信息异同、算法解算结果的优劣。这有助于学生对高精度、低精度传感器测量精度理解、体会，也能分析出不同精度传感器情况下导航算法精度。对不同等级系统性能有直观体会。本文设计多路信号同步采集系统，同步采集高精度和低精度系统数据，并进行了对比分析。

2 多路信号同步采集系统

信号同步采集是进行数据对比，实验结果评估的前提条件。为此，进行了多路信号同步采集系统研制。目前惯性传感器和惯性导航系统多数是232 和422 接口，所以研制了基于DSP 的6 输入2 输出信号采集系统，如图1 所示。

图1 信号同步采集系统

图1 所示信号同步采集系统，CPU 选择DSP28335，有6路输入信号通道，接口为232/422，输出接口为2 路232。这样系统可以同时6 种外界传感器（或系统）信号。采集到的同步信号可以上传到上位机，也可存储到板上SIM 卡中。图1 中左侧是低精度MEMS 惯性传感器、右侧上方是中精度光纤惯性导航系统、右下方是低精度MEMA 惯性导航系统。利用此系统能同时进行高、中、低精度器件、系统信号采集，便于对不同精度器件、系统性能指标和相应算法的对比分析。

3 基于多路信号同步采集系统的DR 导航实验效果分析示例

3.1 DR 导航原理

基于以上思想进行了DR 导航的对比分析实验。DR 导航是“DR 导航定位关键技术综合验证实验”的实验内容。DR导航是相对简单的导航方法其利用陀螺仪测量航向和里程仪测量单位时间内走过的长度，通过坐标累积和变换的方法实现定位。其原理如图2。

图2 DR 导航原理图

图2 中两个互相正交的坐标轴设定为参考坐标方向。当有方向基准时设为正东和正北方向。当没有坐标基准时只视为两正交坐标。(Ek-1,Nk-1)和(Ek-1,Nk-1)分别为前后两个行走时刻的位置坐标，L(k-1)和L(k)分别为前后两次采样间隔间的距离变化值，θ(k-1)和θ(k-1)是前后两次行走的航向角。如果知道运动目标初始时刻的位置，还知道目标开始运动之后每一采样间隔间的距离变化值和航向角，便可以推算出后续任意时刻运动目标的位置。

3.2 对比实验

基于以上思想进行了DR 导航的对比分析实验。DR 导航是“DR 导航定位关键技术综合验证实验”的实验内容。DR导航是相对简单的导航方法其利用陀螺仪测量航向和里程仪测量单位时间内走过的长度，通过坐标累积和变换的方法实现定位。一组实验数据如图2、图3 所示。图2 是利用MEME系统计算结果，图3 是利用中精度光纤系统计算结果。通过两组数据可以看到定位误差都是随时间发散，但MEMS 系统误差发散的速度远大于光纤系统。通过实际数据的对比，学生能清晰、直观地看到不同系统的性能，并体会到DR 导航算法的误差特性。

图3 中数据是采用MEMS 系统进行DR 导航解算的定位误差，其中蓝色曲线是定位误差，下面的红色曲线是相对距离误差。图4 是采用光纤陀螺系统的定位误差情况。通过两种系统输出的对比，学生能对系统误差特性有直观认识，并且通过数据处理分析还能有量化结果，有助于进行误差的定量对比分析。

图3 MEMS 系统输出

图4 光纤系统输出

4 结语

对比分析是评价教学实验效果的有效手段。能让学生深化理解实验原理量化体会误差特性，可在工科实验教学中广泛应用。