基于mems傳感器的姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于mems傳感器的姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多傳感器姿態(tài)導(dǎo)航方法姿態(tài)指標(biāo)體系通過(guò)測(cè)量不同的導(dǎo)航傳感器信息，根據(jù)數(shù)據(jù)處理文件的位置、速度和姿態(tài)，向相關(guān)檢測(cè)控制系統(tǒng)提供相關(guān)檢測(cè)控制系統(tǒng)對(duì)載體的感知和控制。姿態(tài)導(dǎo)航系統(tǒng)在海、陸、空、天及地面運(yùn)動(dòng)載體的監(jiān)測(cè)都有應(yīng)用,在這些方面的應(yīng)用都要求提供連續(xù)的位置姿態(tài)等運(yùn)動(dòng)信息。而隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展,各種新型傳感器的不斷出現(xiàn),姿態(tài)導(dǎo)航的應(yīng)用也更加廣泛,在數(shù)據(jù)通信行業(yè)、機(jī)器人技術(shù)以及生活中的方方面面。當(dāng)前不同種類(lèi)的導(dǎo)航系統(tǒng)在精度和成本上都有其不同的優(yōu)缺點(diǎn)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,利用多種類(lèi)的傳感器的導(dǎo)航系統(tǒng)充分發(fā)揮各類(lèi)傳感器的特點(diǎn),利用多種數(shù)據(jù)融合算法,實(shí)現(xiàn)姿態(tài)檢測(cè)與導(dǎo)航任務(wù)。而多傳感器構(gòu)成的導(dǎo)航系統(tǒng)在性能、精度、可靠性等方面都優(yōu)于單一導(dǎo)航系統(tǒng)。目前,GPS導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航是較常用的姿態(tài)導(dǎo)航方法。本文利用多傳感器組成構(gòu)建了載體導(dǎo)航系統(tǒng)的硬件平臺(tái),分析各模塊單元的功能,設(shè)計(jì)相關(guān)的硬件電路包括有數(shù)據(jù)處理控制單元,傳感器單元以及與上位機(jī)的通訊控制模塊等。1傳感器組合姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)包括有三種類(lèi)型的慣性傳感器,即磁阻傳感器、速率陀螺和加速度計(jì)。傳感器的測(cè)量軸與載體坐標(biāo)系重合,構(gòu)成捷聯(lián)慣導(dǎo)的基本傳感器組合。在系統(tǒng)中,磁阻傳感器測(cè)量地球的磁場(chǎng)方向來(lái)確定航向角,其缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能較差。加速度計(jì)用于測(cè)量載體運(yùn)動(dòng)的加速度,也可以測(cè)量相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。速率陀螺能夠?qū)崟r(shí)的測(cè)量載體的角速度,通過(guò)積分變換完成載體姿態(tài)的解算。由于速率陀螺的自身特點(diǎn)導(dǎo)致其誤差會(huì)隨時(shí)間累計(jì),測(cè)量值會(huì)發(fā)生漂移,只能在短時(shí)間內(nèi)保證精度。通過(guò)將三種類(lèi)型的慣性傳感器進(jìn)行組合,在保證獲得較好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的同時(shí),盡量補(bǔ)償陀螺傳感器帶來(lái)的誤差漂移。這樣將能大大提高系統(tǒng)的魯棒性,并能夠提高系統(tǒng)精度。1.1加速度計(jì)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)包含有磁阻傳感器、加速度計(jì)和陀螺儀三種傳感器類(lèi)型的信號(hào)。姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。在慣性姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)中,利用加速度測(cè)量值解算出載體的運(yùn)動(dòng)狀況:其中為加速度計(jì)在t時(shí)刻的三個(gè)方向的輸出,其中ε為常數(shù),根據(jù)系統(tǒng)要求來(lái)確定。如果式(1)條件成立,則表明載體的動(dòng)態(tài)誤差相對(duì)較平穩(wěn),波動(dòng)幅度小。通過(guò)磁阻傳感器和加速度計(jì)的數(shù)據(jù)結(jié)算出一組載體的姿態(tài)角,利用陀螺傳感器的測(cè)量補(bǔ)償值得到另一組姿態(tài)角,通過(guò)卡爾曼濾波把載體的兩組姿態(tài)角進(jìn)行處理,就可以得到載體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的航向角、俯仰角和翻滾角等相關(guān)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息。若上述條件不滿足,則表明載體的動(dòng)態(tài)誤差大,此時(shí)就直接利用陀螺儀的數(shù)據(jù)解算出載體姿態(tài)角。1.2角測(cè)量和旋轉(zhuǎn)角測(cè)量則那么俯仰角與橫滾角可以得到1.3運(yùn)動(dòng)軸上地球磁偏角的測(cè)量姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中磁阻傳感器的三軸也分別沿載體坐標(biāo)系的三軸放置,分別測(cè)量相對(duì)于載體坐標(biāo)系三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸上地球磁感應(yīng)強(qiáng)度H的投影分量,記為而姿態(tài)角θ將由加速度計(jì)測(cè)量得到,γ代入,根據(jù)可確定地磁場(chǎng)相對(duì)于水平面上的分量。對(duì)于地球的地理北極與磁北極并不完全一致,而導(dǎo)致航向角的誤差的問(wèn)題。這里通過(guò)確定磁偏角α來(lái)進(jìn)行修正,而磁偏角可查找相關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)。那么載體的修正航向角為2系統(tǒng)的硬件硬件載體姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的傳感器包括陀螺傳感器、加速度傳感器及磁阻傳感器。系統(tǒng)采集傳感器對(duì)應(yīng)三軸的數(shù)據(jù),獲得載體對(duì)應(yīng)的角速度分量、加速度分量以及地磁場(chǎng)強(qiáng)度分量。然后送入到微處理器中,在微處理器中利用姿態(tài)矩陣解算載體的對(duì)應(yīng)的航向角、俯仰角和翻滾角等姿態(tài)信息。在通過(guò)Kalman濾波器對(duì)陀螺偏差引起的姿態(tài)誤差進(jìn)行補(bǔ)償,以獲得穩(wěn)定的姿態(tài)角,然后通過(guò)數(shù)據(jù)通信接口發(fā)送到上位機(jī)上進(jìn)行載體姿態(tài)模擬顯示。其系統(tǒng)硬件電路框圖如圖2所示。載體姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)當(dāng)中姿態(tài)檢測(cè)單元是系統(tǒng)的核心。姿態(tài)檢測(cè)單元包括有陀螺儀、加速度計(jì)和磁阻傳感器。陀螺儀采用了STMicroelectronics公司最新生產(chǎn)的L3G4200D三軸陀螺儀芯片。加速度計(jì)采用AD(IAnalog-4-Devices,Inc.)公司的數(shù)字式加速度傳感器ADXL345。磁阻傳感器選用HONEWELL公司三軸磁阻傳感器芯片HMC5883。3姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件電路完成后,將利用J-Link調(diào)試仿真器對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行程序設(shè)計(jì)與調(diào)試。通過(guò)J-Link仿真器可以完成姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的程序編寫(xiě)和調(diào)試,完成了姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì),其主程序流程圖如圖3所示。在主程序的控制當(dāng)中,首先對(duì)傳感器與系統(tǒng)進(jìn)行初始化,其中包括陀螺儀、角速度計(jì)、磁阻傳感器和溫度傳感器。主控制單元對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)接口、對(duì)數(shù)據(jù)采集環(huán)境進(jìn)行設(shè)置,讀取初始參數(shù),完成姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的初始化。然后進(jìn)入姿態(tài)數(shù)據(jù)采集與解算過(guò)程當(dāng)中,在姿態(tài)解算過(guò)程中利用四元數(shù)的解算姿態(tài)矩陣,進(jìn)而獲取得到載體的姿態(tài)角,并利用Kalman濾波方法進(jìn)行誤差估計(jì),最終通過(guò)數(shù)據(jù)通信接口發(fā)送到上位機(jī)來(lái)完成載體姿態(tài)的檢測(cè)。4系統(tǒng)穩(wěn)定性驗(yàn)證姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)送來(lái)的每組的初始數(shù)據(jù)包括陀螺儀三軸、角速度計(jì)三軸、磁阻傳感器三軸和溫度傳感器共十個(gè)數(shù)據(jù)。本文以姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的某個(gè)靜態(tài)的工作點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)為例。在計(jì)量院的位置設(shè)置平臺(tái)上,當(dāng)前載體的歐拉角數(shù)值分別為X軸的偏轉(zhuǎn)+1°,Y軸的偏轉(zhuǎn)+1°,Z軸的偏轉(zhuǎn)+75°。將本文研究的姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)放置其上,來(lái)驗(yàn)證本系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。設(shè)置檢測(cè)時(shí)間為2小時(shí),選取了在此期間檢測(cè)的相對(duì)變化較大的數(shù)值,各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)如表1所示。上述數(shù)據(jù)是姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)各傳感器通過(guò)主控制單元采集到靜態(tài)工作點(diǎn)數(shù)據(jù)中的一部分?jǐn)?shù)據(jù),基本的穩(wěn)定性較好。初始數(shù)據(jù)由第二章的方法計(jì)算得到四元數(shù)為q1=+0.7952;q2=+0.0041;q3=+0.0076;q4=+0.6062?？梢酝扑愠銎鋵?duì)應(yīng)的靜態(tài)工作點(diǎn)為X軸的偏轉(zhuǎn)+0.9°,Y軸的偏轉(zhuǎn)+0.8°,Z軸的偏轉(zhuǎn)+74.6°。對(duì)應(yīng)該點(diǎn)的相對(duì)誤差為0.1°、0.2°和0.4°。上述數(shù)據(jù)說(shuō)明了系統(tǒng)的溫度性較好,并能夠滿足±1°的誤差范圍。5系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果本文分析了姿態(tài)檢測(cè)的基本原理,設(shè)計(jì)了姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)。姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的核心傳感器單元由三軸磁阻傳感器、三軸陀螺儀和三軸的加速度構(gòu)成。能夠有效實(shí)現(xiàn)姿態(tài)檢測(cè)中對(duì)于翻滾角、俯仰角和航向角的測(cè)量。利用姿態(tài)檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)了姿態(tài)檢測(cè)的修正。最后對(duì)所建立的系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)的相對(duì)誤差為0.1°、0.2°和0.4°。上述數(shù)據(jù)說(shuō)明了系統(tǒng)的溫度性較好,并能夠滿足±1°的誤差范圍。姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中的加速度計(jì)三軸與載體坐標(biāo)系的三坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)重合,用于測(cè)量載體在載體坐標(biāo)系中的投影分量,表示為因?yàn)榧铀俣扔?jì)的輸出不受航向角的大小影響,故假設(shè)。則姿態(tài)矩陣變?yōu)?在地理坐標(biāo)系下,加速度計(jì)值為由方向余弦矩陣可