基于mems技術(shù)的微型飛行器姿態(tài)測量系統(tǒng)設(shè)計

基于mems技術(shù)的微型飛行器姿態(tài)測量系統(tǒng)設(shè)計

0微機電系統(tǒng)組成姿態(tài)測量在機器人和小型飛機的定位和人體姿勢跟蹤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)而實現(xiàn)更好的穩(wěn)定飛行和軌跡預(yù)測。傳統(tǒng)的姿態(tài)測量系統(tǒng)主要由高精度陀螺和加速度計組成,體積較大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanicalsystem,MEMS)技術(shù)是將機械裝置和集成電路集成在一個芯片內(nèi),具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低等優(yōu)點。本文設(shè)計的MEMS姿態(tài)測量系統(tǒng)集成了加速度計與磁強計,利用C8051F進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,通過無線傳輸,將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、姿態(tài)解算。整個電路體積小、質(zhì)量輕、功耗低、性能可靠、使用方便。1測量原理載體的姿態(tài)是相對參照系而言的,求載體的姿態(tài),即求載體坐標(biāo)系相對于地理坐標(biāo)系的姿態(tài)信息,其中涉及到坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。1.1加速度計的測量原理加速度計是慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)的基本測量元件之一,可以測載體的運動加速度,并對加速度進(jìn)行積分,可得到載體的速度和位置等信息;也可以在傾斜檢測中測量靜態(tài)加速度。這里以單軸加速度為例說明其測量原理。當(dāng)加速度計的某一敏感軸與重力加速度方向相同時,其感應(yīng)量對應(yīng)g;當(dāng)單軸加速度計的敏感軸與重力加速度方向相反時,其感應(yīng)量為-g;當(dāng)物體姿態(tài)改變時,加速度計敏感軸隨物體轉(zhuǎn)動角度,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,敏感軸的測量值為a,如式(1),θ角解算如式(2)a=-gsinθ,(1)θ=?arcsinag.(2)θ=-arcsinag.(2)1.2初始磁場強度磁強計是用來測量磁感應(yīng)強度的傳感器,在姿態(tài)測量中多用于測量物體的方位角。建立“北—東—地”坐標(biāo)系,如圖2所示。H為地球磁場,忽略磁偏角(大約為5°),磁傾角為β。已知地磁場的大小約為0.5～0.6Gs,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)順時針轉(zhuǎn)過ψ角時,在磁強計的X,Y軸上測得的磁場強度分別是Hx,Hy。根據(jù)磁強計測得的磁場值,即可獲得航向角的信息如式(3)ψ=?arctanHyHx.(3)ψ=-arctanΗyΗx.(3)2傳感性能及模塊本文所設(shè)計的無線姿態(tài)測量系統(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。電源模塊包括一個電源接口和一個電源穩(wěn)壓芯片,為處理器和各傳感器提供3.3V的電壓,輸入電壓范圍為2.6～12V。傳感器模塊中包含三軸加速度計和三軸磁強計。2只傳感器均采用數(shù)字接口。數(shù)字線性加速度計滿量程為±2,±4,±8,±16gn,10位ADC,靈敏度為256LSB/gn。磁強計的測量范圍為±4Gs,采用霍尼韋爾的各向異性磁阻技術(shù),主要特點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,用于測量地磁場的方向和磁力。它的分辨率可以達(dá)到7mGs,并且內(nèi)部采用12位ADC,以保證對磁場強度的精確測量。壓力傳感器輸出絕對大氣壓和溫度信號,氣壓分辨率在0.024mbar,溫度分辨率小于0.01℃。微處理器選用的是C8051F系列的單片機。它采用8051內(nèi)核,包含ISPFlash存儲器和JTAG接口,功耗低,運算速度可達(dá)50MIPS,具有24個IO口,且有多種類型標(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UART(universalasynchronousreceiver/transmitter)與上位機通信。它是一種通用異步串行數(shù)據(jù)總線,該總線雙向通信,可以實現(xiàn)全雙工傳輸和接收。因為計算機內(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UART整理才能進(jìn)行異步傳輸。3程序的編寫和在線調(diào)試本系統(tǒng)的軟件分為單片機和上位機兩部分。單片機主要完成各傳感器的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸,在siliconlaboratoriesIDE環(huán)境下對程序進(jìn)行編譯和在線調(diào)試。本模塊采用24.5MHz的內(nèi)部振蕩器作為單片機時鐘源,數(shù)據(jù)位8,停止位1,傳感器數(shù)據(jù)采集頻率為20Hz。單片機的流程圖為圖4。上位機主要來完成數(shù)據(jù)的接收、數(shù)據(jù)融合和姿態(tài)顯示。界面主要顯示有水平儀、磁羅盤和高度儀表盤以及解算出的俯仰、滾轉(zhuǎn)、航向角和氣壓、溫度、高度的實時數(shù)值。4全姿態(tài)的測量對設(shè)計的無線姿態(tài)測量系統(tǒng)采用四元數(shù)算法進(jìn)行姿態(tài)解算,有效避免了利用歐拉角解算時的奇異點問題。對其進(jìn)行全姿態(tài)的角度測量。把其固定到轉(zhuǎn)臺上,每隔5°記錄一組3個姿態(tài)角的輸出。圖5為轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動一周,轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角與各姿態(tài)角間的關(guān)系曲線。5行器無線姿態(tài)去測量系統(tǒng)本文利用三軸加速度計和三軸磁強計與壓力傳感器設(shè)計了基于MEMS的微型飛行