基于MSP430F149的室外移动机器人高精度组合导航系统

对于在室外环境工作的移动机器人通常使用惯导/卫星组合导航方式。惯性导航系统具有完全自主、抗干扰强、隐蔽能力好和输出参数全面等优点，但它的鲁棒性极低，误差会不断随时间累积发散。卫星导航系统具有精度高、定位范围广和误差不随时间累积等优点，但其自主性差、易受外界遮挡和干扰、接收机数据更新频率低等缺点。因此工程上常常将两者互补结合使用，组成卫星/惯性组合导航系统。

本文以低功耗MSP430F149为核心，设计了能够同时实现卫星导航(GNSS)接收机、惯性测量单元(IMU)、气压高度等导航信息的高速采集与高速合路传输，并进行初步导航定位信息融合的导航系统，即可为室外移动机器人提供直接的导航服务，也可作为高精度组合导航系统的原始测量信息高速采集系统。系统设计的关键是利用单片机有限的接口资源实现了多传感器信息并行采集，设计了有效的数据同步方法，解决了气压传感器数据手册疏漏导致的无法接入问题，给出了机器人组合定位的基本方法。系统充分利用了MSP430F149单片机的能力，具有结构简单、低功耗、对传感器具有普适性等优点。

本系统由电源、气压计接口、IMU接口、GNSS接收机接口、SPI转UART模块及MSP430F149构成。系统组成如图1所示。组合导航系统的功能实现分为IMU数据接收与解析、GNSS数据接收与解析、气压计数据接收与解析、组合导航解算以及数据输出五个部分。IMU数据接收与解析功能用来获取导航解算中需要的加速度和角速度信息；GNSS数据接收与解析功能用来获取导航解算中需要的位置和速度信息(松耦合组合)或者 GNSS伪距和伪距率(紧耦合组合)；气压计数据接收与解析功能用来获取高度信息；组合导航解算功能为系统核心，用来进行组合导航解算；数据的输出包括原始数据包的整合输出和解算结果的输出。

图1 系统组成结构图

本文所使用的惯性器件和GNSS接收机都是RS-232电平的UART接口，具有通用性，用户可根据成本考虑不同精度的设备。气压计选用美国MEAS公司生产的MS5803-02BA，已经固化在电路中。

整个组合导航定位系统需要三个UART接口和两个SPI接口。其中两个UART接口由430单片机自带的UART资源提供，另外一个UART接口由 GPIO模拟SPI通过MAX3111E芯片转化得到；两个SPI接口由GPIO模拟得到。

另外需要一个外部中断引脚捕获秒脉冲信号(PPS)、一个外部中断引脚捕获MAX3111E中断信号。

MSP430F149管脚资源分配如表1所示。