mems姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的研究

mems姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的研究

在空間飛機(jī)的柔性測(cè)量系統(tǒng)、車輛船只的傾斜測(cè)量、機(jī)器人平衡配置的檢測(cè)、臂的延伸的確定、巖石趨勢(shì)的評(píng)估和工程孔軌跡的檢測(cè)中，有必要測(cè)量物體的傾斜和方向的狀態(tài)參數(shù)。隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展,采用其傳感器應(yīng)用到姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)上的條件變得成熟?；贛EMS技術(shù)的加速度傳感器和陀螺儀具有抗沖擊能力強(qiáng)、可靠性高、壽命長(zhǎng)、成本低等優(yōu)點(diǎn),是適于構(gòu)建姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的慣性傳感器。利用MEMS陀螺儀和加速度傳感器等慣性傳感器組成的姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng),能夠通過(guò)對(duì)重力矢量夾角和系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度進(jìn)行測(cè)量,從而實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)角度。由于慣性傳感器隨著時(shí)間、溫度的外界變化,會(huì)產(chǎn)生不同程度的漂移。通過(guò)對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,測(cè)量的角度與實(shí)際的角度相吻合,取得了良好的控制效果。同時(shí)該系統(tǒng)具有獨(dú)立,易用的特點(diǎn),其應(yīng)用前景廣泛。1加速度傳感器系統(tǒng)姿態(tài)檢測(cè)算法在地球上任何位置的物體都受到重力的作用而產(chǎn)生1個(gè)加速度,加速度傳感器可以用來(lái)測(cè)定變化或恒定的加速度。把三軸加速度傳感器固定在物體上,在相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下,當(dāng)物體姿態(tài)改變時(shí),加速度傳感器的敏感軸相對(duì)于重力場(chǎng)發(fā)生變化,加速度傳感器的3個(gè)敏感軸分別輸出重力在其相應(yīng)方向產(chǎn)生的重力分量信號(hào),系統(tǒng)姿態(tài)的測(cè)量原理如圖1。輸出的大小與3個(gè)軸方向同豎直方向的夾角有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)處于變速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí),由于加速度傳感器同時(shí)受到重力加速度和系統(tǒng)自身加速度的影響,其返回值是重力加速度同系統(tǒng)自身加速度的矢量和。對(duì)加速度傳感器溫度漂移及系統(tǒng)振動(dòng)和機(jī)械噪聲等方面的考慮,加速度傳感器不能獨(dú)立運(yùn)用測(cè)量系統(tǒng)的姿態(tài)。陀螺儀能夠提供瞬間的動(dòng)態(tài)角度變化,由于其本身的固有特性、溫度及積分過(guò)程的影響,它會(huì)隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)產(chǎn)生漂移誤差。因此對(duì)于姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)而言,單獨(dú)使用陀螺儀或加速度計(jì),都不能提供系統(tǒng)姿態(tài)的可靠估計(jì)。為了克服這些問題,數(shù)據(jù)融合算法需使用加速度傳感器的測(cè)量值并使用陀螺儀測(cè)得的角速度數(shù)據(jù)對(duì)加速度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和矯正。系統(tǒng)依據(jù)上一時(shí)刻的重力矢量方向的估計(jì)值,結(jié)合陀螺儀測(cè)得的角度值計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻的重力矢量方向,再與當(dāng)前時(shí)刻加速度傳感器返回的矢量方向進(jìn)行加權(quán)平均,得到當(dāng)前矢量方向的最優(yōu)估計(jì)值。2硬件設(shè)計(jì)2.1慣性模量測(cè)量單元姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)采用基于ARMCortexM3內(nèi)核的STM32微控制器為控制核心,用于數(shù)據(jù)的采集、處理及傳輸。根據(jù)對(duì)性能價(jià)格比的衡量,系統(tǒng)慣性測(cè)量單元采用三軸數(shù)字陀螺儀ITG3200和三軸數(shù)字加速度傳感器ADXL345,分別通過(guò)I2C和SPI串行總線與微控制器相連,并通過(guò)定時(shí)器中斷控制加速度傳感器和陀螺儀的同步采樣。微控制器采得傳感器數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值低通濾波和計(jì)算系統(tǒng)姿態(tài)參數(shù),并將計(jì)算結(jié)果通過(guò)無(wú)線信道傳輸至PC機(jī)進(jìn)行顯示。系統(tǒng)框架圖如圖2。2.2其他傳感器的要求ADXL345是一款小而薄的超低功耗三軸加速度計(jì),分辨率高(13bit),測(cè)量范圍達(dá)±16g。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16bit二進(jìn)制補(bǔ)碼格式,其高分辨率(3.9mg/LSB),能夠測(cè)量不到1.0°的傾斜角度變化,并可在所有測(cè)量范圍內(nèi)保持此比例系數(shù)。抗沖擊能力達(dá)到10000g,ADXL345可通過(guò)SPI(3線或4線),I2C數(shù)字接口訪問。ADXL345內(nèi)置輸出偏移補(bǔ)償功能。加速度計(jì)為機(jī)械結(jié)構(gòu),包含可以自由移動(dòng)的元件。這些運(yùn)動(dòng)部件對(duì)機(jī)械應(yīng)力非常靈敏。0g偏置或偏移為重要加速度計(jì)指標(biāo),它定義了用于測(cè)量加速度的基線。組裝載有加速度計(jì)的系統(tǒng)時(shí),可能由于元件焊接、安裝時(shí)的電路板應(yīng)力和元件上的任何混合物的應(yīng)用等原因?qū)鞲衅魇┘痈郊討?yīng)力。這時(shí)需要對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn),建議系統(tǒng)組裝完成后進(jìn)行校準(zhǔn),以補(bǔ)償這些影響。校驗(yàn)方法是測(cè)量偏移。使用偏移寄存器ADXL345可以自動(dòng)補(bǔ)償偏移輸出。這些寄存器配置為8bit二進(jìn)制補(bǔ)碼值,將自動(dòng)添加到所有測(cè)得的加速度值,其結(jié)果隨后置入到數(shù)據(jù)寄存器。將負(fù)值置于寄存器,消除正偏移,相反則消除負(fù)偏移。2.3dlpfcfgITG-3200是一款數(shù)字方式輸出的三軸MEMS陀螺儀芯片。ITG-3200的特性在于運(yùn)用3個(gè)16bit的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADCs)來(lái)數(shù)字化陀螺儀輸出端,抗沖擊能力達(dá)到10000g,有程控的內(nèi)建低通濾波器,以及快速模式的I2C(400kHz)接口。其特性另有內(nèi)建溫度傳感器與精準(zhǔn)差僅2%的內(nèi)建振蕩器設(shè)計(jì)。ITG-3200內(nèi)建低通數(shù)字濾波器,可通過(guò)配置DLPF_CFG寄存器設(shè)置,此寄存器同時(shí)設(shè)置陀螺儀的濾波器截頻和采樣率。系統(tǒng)總采樣率為50HZ,考慮系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),將DLPF設(shè)為5。陀螺儀內(nèi)建低通濾波器配置數(shù)據(jù)見表1。3傳感器數(shù)據(jù)的整合和軟件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)模型歸一化控制器從加速度傳感器獲得三軸加速度值GX、GY、GZ,靜止時(shí),系統(tǒng)三軸加速度值的矢量和即為重力矢量,可得:對(duì)矢量進(jìn)行歸一化:得到當(dāng)前時(shí)刻的歸一化重力方向矢量由歸一化矢量方向可得到重力矢量同坐標(biāo)軸的夾角θX、θY、θZ,見圖1。3.2重力矢量的估計(jì)系統(tǒng)從陀螺儀獲得當(dāng)前系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度WX,WY,WY得到系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,其中T為采樣間隔。由上一時(shí)刻的加速度矢量估計(jì)值和當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)角度可得到當(dāng)前時(shí)刻重力矢量的另一個(gè)估計(jì)值利用式3得:可得其中θX、θY、θZ為前一時(shí)刻重力矢量同坐標(biāo)軸的夾角與系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度△θX、△θY、△θZ之和。此時(shí)重力矢量的估計(jì)為3.3傳感器數(shù)據(jù)的整合當(dāng)前時(shí)刻的重力矢量估計(jì)由從加速度傳感器測(cè)得的當(dāng)前重力加速度矢量加權(quán)平均得到W與加速度絕對(duì)值的關(guān)系如圖3。4加速度傳感器的誤差控制運(yùn)用以上算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,使采集的數(shù)據(jù)更接近真實(shí)的值。圖4(a)為由加速度傳感器原始數(shù)據(jù)測(cè)得的三軸方位角曲線。圖4(b)為經(jīng)過(guò)陀螺儀矯正后的方位角數(shù)據(jù)曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在使用原始加速度數(shù)據(jù)時(shí),角度所受到的干擾噪聲較大,即使在靜止?fàn)顟B(tài),誤差也在2.7°左右;經(jīng)過(guò)陀螺儀矯正后,加速度傳感器中包含的噪聲被有效地平滑,系統(tǒng)因受外力而出現(xiàn)的重力矢量偏移被有效地減小,角度的誤差被控制在1.5°以內(nèi)。但系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性受到了一定影響。5系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)基于MEMS加速度計(jì)和陀螺儀的姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、適用范圍廣的特點(diǎn)。由于采用了加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)融合,加速度計(jì)誤差對(duì)測(cè)量精度的影響被有效抑制。同時(shí),系統(tǒng)的姿態(tài)算法簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)姿態(tài)檢測(cè)算法中大量的矩陣運(yùn)算,并保留了其算法精度?？梢杂行У匾浦驳降投宋⒖刂破髦?在保證姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)算速度的同時(shí)進(jìn)一步降低了系統(tǒng)成本。仿真表明,在考慮熱噪聲、機(jī)械噪聲及慣性器件誤差等多種誤差因素的情況下,系統(tǒng)的測(cè)量誤差可控制在-1.5°~+1.5