簡易陀螺儀慣性制導系統設計

汪書文+肖琳+崔紅娟+周濤

摘 要：基于陀螺儀是慣性導航的核心，而慣性原理的導航系統是設計的基礎，介紹如何將陀螺儀應用在控制飛機飛行的慣性制導系統上。首先搭建一個由傳感器、單片機、晶體放大驅動三個模塊組成的模型，再結合積分算法，從而達到自動調整飛機航向的目的。此設計可應用在自動駕駛系統上，在飛機航線確定的前提下實現自動駕駛，大大減輕飛行機組的工作量。

關鍵詞：陀螺儀;慣性制導系統;積分算法;調整航向

中圖分類號：TP393 ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-1302（2014）11-00-02

0 ?引 ?言

慣性導航系統是一門涉及精密機械、計算機技術、微電子、光學、自動控制、材料等多種學科和領域的綜合技術[1]。應用需求的增長是導航技術拓展新方向的源動力，現代科技的蓬勃發展支撐著慣性傳感器技術的不斷進步，推動著慣性導航技術應用于更寬廣的領域。而陀螺儀作為一種重要的慣性敏感器，是構成INS（Inertial Navigation System）的基礎核心器件，INS的性能在很大程度上取決于陀螺儀的性能[2]。因此，隨著陀螺儀等慣性器件的完善，以慣性導航為基礎的組合導航系統將成為未來導航系統的主要發展方向。

1 ?陀螺慣性制導的發展趨勢

在慣性制導系統中，利用激光來作為方位測向器的陀螺逐漸取代傳統的機械陀螺已是大勢所趨，目前世界上許多國家都在研制激光陀螺，美國的霍尼威爾、利頓、斯佩里等公司均已取得明顯成績。對于不同的軍事需求，可應用不同精度的陀螺[3]。例如：用于戰略導彈、空間飛行器、自主式潛艇導航、高能激光武器的瞄準、跟蹤等，需要漂移角速度小于0.5°/h的高度慣性陀螺;用于測定空中、地面、海上平臺的導航系統和姿態基準系統等，則需要漂移角速率0.0015～0.5°/h的中等精度的慣性陀螺;隨著不同關鍵理論和技術突破的先后不同，發揮日益顯著的作用[4]。

2 ?系統設計

2.1 ?系統組成與結構

本系統由MPU-6050三軸陀螺儀角加速度傳感器，單片機，放大驅動模塊構成。其中，MPU-6050三軸陀螺儀角加速度傳感器用于測出模型直升機偏離原來航向的角速度，它的信號由單片機模塊采集，再由單片機中的算法程序將直升機偏離正常軌道的角速度轉換角度，然后將輸出信號用放大驅動模塊放大，產生能夠驅動電機的左控或右控信號。當信號為左控信號時，右螺旋槳轉動;當信號為右控信號信號時，左螺旋槳轉動，從而實現直升機航向的實時調整。系統設計框圖如圖1所示。

圖1 ?簡易陀螺儀慣性制導系統的系統圖

2.1.1 ?傳感器模塊

傳感器模塊使用MPU-6050三軸陀螺儀角加速度傳感器，用于測出模型直升飛機偏離原來航向的角速度。MPU-6000為全球首例整合性6軸運動處理組件，相較于多組件方案，減少了大量的包裝空間[5]。MPU-6000整合了3軸陀螺儀、3軸加速器。它的角速度全格感測范圍為±250、±500、±1 000與±2 000 °/sec （dps），可準確追蹤快速與慢速動作。產品傳輸可透過最高至400 kHz的I2C或最高達20 MHz的SPI，在導航系統中擁有明顯的優勢。

2.1.2 ?單片機模塊

系統中單片機采用STC公司的STC89C52。它是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 KB在系統可編程Flash存儲器。它使用經典的MCS-51內核，但是做了很多的改進使得該芯片具有傳統51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU 和在系統可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。非常適合低功耗，低成本的應用。

2.2 ?電路設計

2.2.1 ?單片機電路

該模塊通過積分程序，將直升機偏離原來航向的角速度轉換為角度。從而驅動電機轉動，調整飛機的航向。

該模塊的硬件部分主要由單片機最小系統構成，其中晶體振蕩器是由一個晶振和兩個瓷片電容組成的，它是單片機系統正常工作的保證;單片機的RST端口連接復位電路。它的作用是將單片機內部各電路的狀態恢復到一個確定的初始值，并從這個狀態開始工作。VCC端口連接供電電路，單片機控制電路如圖2所示。

圖2 ?單片機控制電路圖

2.2.2 ?放大驅動電路

STC89C52的P1.0和P1.1端口與放大驅動模塊的輸入端相連，用來接收單片機傳輸的信號。但是單片機模塊的輸出電流大約為10 mA，不足以驅動電機，使螺旋槳轉動，因此，需要用放大驅動模塊將輸出電流放大。放大驅動模塊的電路原理圖如圖3所示，此電路是根據H橋式電機驅動電路改進而來。其中，4個與門同一個“使能”導通信號相接，這樣，用這一個信號就能控制整個電路的開關。而2個非門通過提供一種方向輸人，可以保證任何時候在H橋的同側上都只有一個三極管導通。電機的運轉就只需要用三個信號控制：兩個方向信號和一個使能信號。如果DIR-L信號為0，DIR-R信號為1，并且使能信號是1，那么三極管Q1和Q4導通，電流從左至右流經電機;如果DIR-L信號變為1，而DIR-R信號變為0，那么Q2和Q3將導通，電流則反向流過電機。

圖3 ?放大驅動模塊電路圖

2.3 ?軟件算法設計

系統核心程序主要是角速度化為角度的積分算法程序構成，積分算法核心代碼如下：

k=k+（（GetData（GYRO_ZOUT_H）/16.4）*dtt）/1 000

變量k初值為0，代表積分后的角度，變量dtt積分時間段，具體時間需要根據單片機執行代碼速率進行調整，系統里的值為10。函數GetData（GYRO_ZOUT_H）為獲取傳感器Z軸角速度的功能函數。

在mpu-6050模塊中，16位模數轉換數據存儲在2個字節中，需要進行數據合成，合成后方可加入到核心算法中運行，代碼程序如下：

int GetData（uchar REG_Address）

{

uchar H，L;

H=Single_ReadI2C（REG_Address）;

L=Single_ReadI2C（REG_Address+1）;

return （H<<8）+L;

}

積分算法執行完成之后，根據運算結果，改變單片機輸出端口狀態，實現舵機控制，代碼程序如下：

k=k+（（GetData（GYRO_ZOUT_H）/16.4）*dtt）/1000;

if（k>0）{zheng=1;

fu=0;}

else{zheng=0;fu=1;}

delay（100）;

}

3 ?結 ?語

系統設計完成后，經過測試基本能夠實現對模型直升機的航向控制，實現了簡易陀螺儀慣性制導系統的設計。結果證明，陀螺儀是一種能精確地確定運動物體的方位的儀器，它是現代航空，航海，航天和國防工業中廣泛使用的一種慣性導航儀器。在慣性制導中，陀螺儀是控制武器飛行姿態的重要部件，正由于它的平衡和空間定向特性，已成為了飛行設備中關鍵的部件，今后也會更多的應用在飛行器的自主控制系統上。

參考文獻

[1]王巍.慣性技術研究現狀及發展趨勢[J].自動化學報，2013，39（6）：723-729.

[2]陳俊衡.陀螺與慣性制導[J].物理，1995（6）：348-354.

[3]梁閣亭，惠俊軍，李玉平.陀螺儀的發展及應用[J].飛航導彈， 2006（4）：38-40.

[4]陳心中，徐潤君.陀螺慣性制導及其軍事應用[J].大學物理，2004，23（3）：16-50.

[5]龍達峰，劉俊，張曉明，等.基于橢球擬合的三軸陀螺儀快速標定方法[J]. 儀器儀表學報，2013（6）：1299-1305.

變量k初值為0，代表積分后的角度，變量dtt積分時間段，具體時間需要根據單片機執行代碼速率進行調整，系統里的值為10。函數GetData（GYRO_ZOUT_H）為獲取傳感器Z軸角速度的功能函數。

在mpu-6050模塊中，16位模數轉換數據存儲在2個字節中，需要進行數據合成，合成后方可加入到核心算法中運行，代碼程序如下：

int GetData（uchar REG_Address）

{

uchar H，L;

H=Single_ReadI2C（REG_Address）;

L=Single_ReadI2C（REG_Address+1）;

return （H<<8）+L;

}

積分算法執行完成之后，根據運算結果，改變單片機輸出端口狀態，實現舵機控制，代碼程序如下：

k=k+（（GetData（GYRO_ZOUT_H）/16.4）*dtt）/1000;

if（k>0）{zheng=1;

fu=0;}

else{zheng=0;fu=1;}

delay（100）;

}

3 ?結 ?語

系統設計完成后，經過測試基本能夠實現對模型直升機的航向控制，實現了簡易陀螺儀慣性制導系統的設計。結果證明，陀螺儀是一種能精確地確定運動物體的方位的儀器，它是現代航空，航海，航天和國防工業中廣泛使用的一種慣性導航儀器。在慣性制導中，陀螺儀是控制武器飛行姿態的重要部件，正由于它的平衡和空間定向特性，已成為了飛行設備中關鍵的部件，今后也會更多的應用在飛行器的自主控制系統上。

參考文獻

[1]王巍.慣性技術研究現狀及發展趨勢[J].自動化學報，2013，39（6）：723-729.

[2]陳俊衡.陀螺與慣性制導[J].物理，1995（6）：348-354.

[3]梁閣亭，惠俊軍，李玉平.陀螺儀的發展及應用[J].飛航導彈， 2006（4）：38-40.

[4]陳心中，徐潤君.陀螺慣性制導及其軍事應用[J].大學物理，2004，23（3）：16-50.

[5]龍達峰，劉俊，張曉明，等.基于橢球擬合的三軸陀螺儀快速標定方法[J]. 儀器儀表學報，2013（6）：1299-1305.

變量k初值為0，代表積分后的角度，變量dtt積分時間段，具體時間需要根據單片機執行代碼速率進行調整，系統里的值為10。函數GetData（GYRO_ZOUT_H）為獲取傳感器Z軸角速度的功能函數。

在mpu-6050模塊中，16位模數轉換數據存儲在2個字節中，需要進行數據合成，合成后方可加入到核心算法中運行，代碼程序如下：

int GetData（uchar REG_Address）

{

uchar H，L;

H=Single_ReadI2C（REG_Address）;

L=Single_ReadI2C（REG_Address+1）;

return （H<<8）+L;

}

積分算法執行完成之后，根據運算結果，改變單片機輸出端口狀態，實現舵機控制，代碼程序如下：

k=k+（（GetData（GYRO_ZOUT_H）/16.4）*dtt）/1000;

if（k>0）{zheng=1;

fu=0;}

else{zheng=0;fu=1;}

delay（100）;

}

3 ?結 ?語

系統設計完成后，經過測試基本能夠實現對模型直升機的航向控制，實現了簡易陀螺儀慣性制導系統的設計。結果證明，陀螺儀是一種能精確地確定運動物體的方位的儀器，它是現代航空，航海，航天和國防工業中廣泛使用的一種慣性導航儀器。在慣性制導中，陀螺儀是控制武器飛行姿態的重要部件，正由于它的平衡和空間定向特性，已成為了飛行設備中關鍵的部件，今后也會更多的應用在飛行器的自主控制系統上。

參考文獻

[1]王巍.慣性技術研究現狀及發展趨勢[J].自動化學報，2013，39（6）：723-729.

[2]陳俊衡.陀螺與慣性制導[J].物理，1995（6）：348-354.

[3]梁閣亭，惠俊軍，李玉平.陀螺儀的發展及應用[J].飛航導彈， 2006（4）：38-40.

[4]陳心中，徐潤君.陀螺慣性制導及其軍事應用[J].大學物理，2004，23（3）：16-50.

[5]龍達峰，劉俊，張曉明，等.基于橢球擬合的三軸陀螺儀快速標定方法[J]. 儀器儀表學報，2013（6）：1299-1305.