基于MEMS的微型飛行器姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)*

曹曉棠，石云波，周兆英，劉紹鵬，郭 奇，趙 斐

(中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051)

0 引言

姿態(tài)測(cè)量在機(jī)器人、微型飛行器［1］的位姿控制以及人體的姿態(tài)跟蹤等方面起著非常重要的作用。它為飛控系統(tǒng)等提供飛行數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更好的穩(wěn)定飛行和軌跡預(yù)測(cè)。傳統(tǒng)的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)主要由高精度陀螺和加速度計(jì)組成，體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system，MEMS)技術(shù)是將機(jī)械裝置和集成電路集成在一個(gè)芯片內(nèi)，具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的MEMS姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)集成了加速度計(jì)與磁強(qiáng)計(jì)，利用C8051F進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)無(wú)線傳輸，將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、姿態(tài)解算。整個(gè)電路體積小、質(zhì)量輕、功耗低、性能可靠、使用方便。

1 測(cè)量原理

載體的姿態(tài)是相對(duì)參照系［3］而言的，求載體的姿態(tài)，即求載體坐標(biāo)系相對(duì)于地理坐標(biāo)系的姿態(tài)信息，其中涉及到坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

1.1 微加速度計(jì)測(cè)姿基本原理

加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)的基本測(cè)量元件之一，可以測(cè)載體的運(yùn)動(dòng)加速度，并對(duì)加速度進(jìn)行積分，可得到載體的速度和位置等信息;也可以在傾斜檢測(cè)中測(cè)量靜態(tài)加速度。

這里以單軸加速度為例說(shuō)明其測(cè)量原理。當(dāng)加速度計(jì)的某一敏感軸與重力加速度方向相同時(shí)，其感應(yīng)量對(duì)應(yīng)g;當(dāng)單軸加速度計(jì)的敏感軸與重力加速度方向相反時(shí)，其感應(yīng)量為-g;當(dāng)物體姿態(tài)改變時(shí)，加速度計(jì)敏感軸隨物體轉(zhuǎn)動(dòng)角度，則其感受到的加速度為a，如圖1所示。若定義θ角如圖1所示，為單軸加速度敏感軸與水平面的夾角，敏感軸的測(cè)量值為a，如式(1)，θ角解算如式(2)

圖1 加速度計(jì)測(cè)量原理圖Fig 1 Diagram of measurement principle of accelerometer

1.2 微磁強(qiáng)計(jì)測(cè)姿基本原理

磁強(qiáng)計(jì)是用來(lái)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度的傳感器，在姿態(tài)測(cè)量中多用于測(cè)量物體的方位角。建立“北—東—地”坐標(biāo)系，如圖2所示。H為地球磁場(chǎng)，忽略磁偏角(大約為5°)，磁傾角為β。已知地磁場(chǎng)的大小約為0.5～0.6 Gs，在水平面內(nèi)分量與地球表面平行，指向地磁北極。初始位置定義:X，Y兩軸位于平面內(nèi)，X指向正北，Y指向正東。在圖2中，當(dāng)X，Y兩軸在平面內(nèi)順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)ψ角時(shí)，在磁強(qiáng)計(jì)的X，Y軸上測(cè)得的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別是Hx，Hy。根據(jù)磁強(qiáng)計(jì)測(cè)得的磁場(chǎng)值，即可獲得航向角的信息如式(3)

圖2 磁強(qiáng)計(jì)方位解算原理圖Fig 2 Principle diagram of azimuth solution of magnetometer

2 硬件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的無(wú)線姿態(tài)測(cè)量［4］系統(tǒng)包括電源模塊、傳感器模塊、處理器模塊、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件框圖Fig 3 Block diagram of hardware

電源模塊包括一個(gè)電源接口和一個(gè)電源穩(wěn)壓芯片，為處理器和各傳感器提供3.3 V的電壓，輸入電壓范圍為2.6～12 V。

傳感器模塊中包含三軸加速度計(jì)和三軸磁強(qiáng)計(jì)。2只傳感器均采用數(shù)字接口。數(shù)字線性加速度計(jì)滿(mǎn)量程為±2，±4，±8，±16gn，10位 ADC，靈敏度為 256LSB/gn。磁強(qiáng)計(jì)的測(cè)量范圍為±4 Gs，采用霍尼韋爾的各向異性磁阻技術(shù)，主要特點(diǎn)在于軸向高靈敏度和線性、固相結(jié)構(gòu)、垂直軸間低靈敏度，用于測(cè)量地磁場(chǎng)的方向和磁力。它的分辨率可以達(dá)到7 mGs，并且內(nèi)部采用12位ADC，以保證對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的精確測(cè)量。壓力傳感器輸出絕對(duì)大氣壓和溫度信號(hào)，氣壓分辨率在0.024 mbar，溫度分辨率小于0.01℃。

微處理器［5］選用的是C8051F系列的單片機(jī)。它采用8051內(nèi)核，包含ISP Flash存儲(chǔ)器和JTAG接口，功耗低，運(yùn)算速度可達(dá)50MIPS，具有24個(gè)IO口，且有多種類(lèi)型標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口，如 I2C，SPI，UART 等。

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊中，通過(guò)UART(universal asynchronous receiver/transmitter)與上位機(jī)通信。它是一種通用異步串行數(shù)據(jù)總線，該總線雙向通信，可以實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸和接收。因?yàn)橛?jì)算機(jī)內(nèi)部采用并行數(shù)據(jù)，不能直接把數(shù)據(jù)發(fā)到Modem，必須經(jīng)過(guò)UART整理才能進(jìn)行異步傳輸。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件分為單片機(jī)和上位機(jī)兩部分。

單片機(jī)主要完成各傳感器的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，在silicon laboratories IDE環(huán)境下對(duì)程序進(jìn)行編譯和在線調(diào)試。本模塊采用24.5 MHz的內(nèi)部振蕩器作為單片機(jī)時(shí)鐘源，數(shù)據(jù)位8，停止位1，傳感器數(shù)據(jù)采集頻率為20 Hz。單片機(jī)的流程圖為圖4。

上位機(jī)主要來(lái)完成數(shù)據(jù)的接收、數(shù)據(jù)融合［6］和姿態(tài)顯示。界面主要顯示有水平儀、磁羅盤(pán)和高度儀表盤(pán)以及解算出的俯仰、滾轉(zhuǎn)、航向角和氣壓、溫度、高度的實(shí)時(shí)數(shù)值。

圖4 單片機(jī)程序流程圖Fig 4 Program flow chart of MCU

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)設(shè)計(jì)的無(wú)線姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)采用四元數(shù)［7］算法進(jìn)行姿態(tài)解算，有效避免了利用歐拉角解算時(shí)的奇異點(diǎn)問(wèn)題。對(duì)其進(jìn)行全姿態(tài)的角度測(cè)量。把其固定到轉(zhuǎn)臺(tái)上，每隔5°記錄一組3個(gè)姿態(tài)角的輸出。圖5為轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)一周，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)角與各姿態(tài)角間的關(guān)系曲線。

5 結(jié)論

本文利用三軸加速度計(jì)和三軸磁強(qiáng)計(jì)與壓力傳感器設(shè)計(jì)了基于MEMS的微型飛行器無(wú)線姿態(tài)去測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該MEMS姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)能夠測(cè)量的俯仰角為±90°，橫滾角為 ±180°，航向角為0°～360°。俯仰角和橫滾角的靜態(tài)測(cè)量誤差為±0.8°，航向角的靜態(tài)測(cè)量誤差為±1.2°。

圖5 靜態(tài)誤差測(cè)試結(jié)果Fig 5 Test results of static error

［1］Zhu Rong，Zhou Zhaoying.A small low-cost hybrid orientation system and its error analysis［J］.IEEE Sensors Journal，2009，9(3):223-230.

［2］王立代，熊沈蜀，周兆英.基于MEMS壓力傳感器的微小型空速計(jì)［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，45(8):1066-1068.

［3］Wu Huaiyu，Sun Dong，Zhou Zhaoying.Model identification of a small-scale air vehicle for loitering control design［C］∥Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotics＆Automation，2004:4035-4040.

［4］劉歌群.小型無(wú)人機(jī)飛行控制器的硬件設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2003，11(2):144-146.

［5］袁鎖中.數(shù)字式無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)研制［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2003，11(1):64-68.

［6］Zhu R，Sun F，Zhou Z Y，et al.A linear fusion algorithmfor attitude determination using low cost MEMS-based sensors［J］.Measurement，2007，40(3):322-328.

［7］付夢(mèng)印，鄧志紅，張繼偉.Kalman濾波理論及其在導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.