mems姿態(tài)檢測系統(tǒng)的研究

mems姿態(tài)檢測系統(tǒng)的研究

在空間飛機的柔性測量系統(tǒng)、車輛船只的傾斜測量、機器人平衡配置的檢測、臂的延伸的確定、巖石趨勢的評估和工程孔軌跡的檢測中，有必要測量物體的傾斜和方向的狀態(tài)參數(shù)。隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展,采用其傳感器應(yīng)用到姿態(tài)檢測系統(tǒng)上的條件變得成熟。基于MEMS技術(shù)的加速度傳感器和陀螺儀具有抗沖擊能力強、可靠性高、壽命長、成本低等優(yōu)點,是適于構(gòu)建姿態(tài)檢測系統(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)檢測系統(tǒng),能夠通過對重力矢量夾角和系統(tǒng)轉(zhuǎn)動角速度進行測量,從而實時、準確地檢測系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)角度。由于慣性傳感器隨著時間、溫度的外界變化,會產(chǎn)生不同程度的漂移。通過對陀螺儀和加速度計的采集數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合,測量的角度與實際的角度相吻合,取得了良好的控制效果。同時該系統(tǒng)具有獨立,易用的特點,其應(yīng)用前景廣泛。1加速度傳感器系統(tǒng)姿態(tài)檢測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個加速度,加速度傳感器可以用來測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,在相對靜止狀態(tài)下,當物體姿態(tài)改變時,加速度傳感器的敏感軸相對于重力場發(fā)生變化,加速度傳感器的3個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,系統(tǒng)姿態(tài)的測量原理如圖1。輸出的大小與3個軸方向同豎直方向的夾角有關(guān)。當系統(tǒng)處于變速運動狀態(tài)時,由于加速度傳感器同時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。對加速度傳感器溫度漂移及系統(tǒng)振動和機械噪聲等方面的考慮,加速度傳感器不能獨立運用測量系統(tǒng)的姿態(tài)。陀螺儀能夠提供瞬間的動態(tài)角度變化,由于其本身的固有特性、溫度及積分過程的影響,它會隨著工作時間的延長產(chǎn)生漂移誤差。因此對于姿態(tài)檢測系統(tǒng)而言,單獨使用陀螺儀或加速度計,都不能提供系統(tǒng)姿態(tài)的可靠估計。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量值并使用陀螺儀測得的角速度數(shù)據(jù)對加速度傳感器數(shù)據(jù)進行融合和矯正。系統(tǒng)依據(jù)上一時刻的重力矢量方向的估計值,結(jié)合陀螺儀測得的角度值計算出當前時刻的重力矢量方向,再與當前時刻加速度傳感器返回的矢量方向進行加權(quán)平均,得到當前矢量方向的最優(yōu)估計值。2硬件設(shè)計2.1慣性模量測量單元姿態(tài)檢測系統(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)對性能價格比的衡量,系統(tǒng)慣性測量單元采用三軸數(shù)字陀螺儀ITG3200和三軸數(shù)字加速度傳感器ADXL345,分別通過I2C和SPI串行總線與微控制器相連,并通過定時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)后對數(shù)據(jù)進行均值低通濾波和計算系統(tǒng)姿態(tài)參數(shù),并將計算結(jié)果通過無線信道傳輸至PC機進行顯示。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,分辨率高(13bit),測量范圍達±16g。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16bit二進制補碼格式,其高分辨率(3.9mg/LSB),能夠測量不到1.0°的傾斜角度變化,并可在所有測量范圍內(nèi)保持此比例系數(shù)。抗沖擊能力達到10000g,ADXL345可通過SPI(3線或4線),I2C數(shù)字接口訪問。ADXL345內(nèi)置輸出偏移補償功能。加速度計為機械結(jié)構(gòu),包含可以自由移動的元件。這些運動部件對機械應(yīng)力非常靈敏。0g偏置或偏移為重要加速度計指標,它定義了用于測量加速度的基線。組裝載有加速度計的系統(tǒng)時,可能由于元件焊接、安裝時的電路板應(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。這時需要對傳感器進行校準,建議系統(tǒng)組裝完成后進行校準,以補償這些影響。校驗方法是測量偏移。使用偏移寄存器ADXL345可以自動補償偏移輸出。這些寄存器配置為8bit二進制補碼值,將自動添加到所有測得的加速度值,其結(jié)果隨后置入到數(shù)據(jù)寄存器。將負值置于寄存器,消除正偏移,相反則消除負偏移。2.3dlpfcfgITG-3200是一款數(shù)字方式輸出的三軸MEMS陀螺儀芯片。ITG-3200的特性在于運用3個16bit的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADCs)來數(shù)字化陀螺儀輸出端,抗沖擊能力達到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差僅2%的內(nèi)建振蕩器設(shè)計。ITG-3200內(nèi)建低通數(shù)字濾波器,可通過配置DLPF_CFG寄存器設(shè)置,此寄存器同時設(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)運動狀態(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,系統(tǒng)三軸加速度值的矢量和即為重力矢量,可得:對矢量進行歸一化:得到當前時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軸的夾角θX、θY、θZ,見圖1。3.2重力矢量的估計系統(tǒng)從陀螺儀獲得當前系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動角速度WX,WY,WY得到系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動角度,其中T為采樣間隔。由上一時刻的加速度矢量估計值和當前轉(zhuǎn)動角度可得到當前時刻重力矢量的另一個估計值利用式3得:可得其中θX、θY、θZ為前一時刻重力矢量同坐標軸的夾角與系統(tǒng)轉(zhuǎn)動角度△θX、△θY、△θZ之和。此時重力矢量的估計為3.3傳感器數(shù)據(jù)的整合當前時刻的重力矢量估計由從加速度傳感器測得的當前重力加速度矢量加權(quán)平均得到W與加速度絕對值的關(guān)系如圖3。4加速度傳感器的誤差控制運用以上算法對采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合,使采集的數(shù)據(jù)更接近真實的值。圖4(a)為由加速度傳感器原始數(shù)據(jù)測得的三軸方位角曲線。圖4(b)為經(jīng)過陀螺儀矯正后的方位角數(shù)據(jù)曲線。實驗結(jié)果表明,在使用原始加速度數(shù)據(jù)時,角度所受到的干擾噪聲較大,即使在靜止狀態(tài),誤差也在2.7°左右;經(jīng)過陀螺儀矯正后,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)的實時性受到了一定影響。5系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計基于MEMS加速度計和陀螺儀的姿態(tài)檢測系統(tǒng),具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、適用范圍廣的特點。由于采用了加速度計和陀螺儀的數(shù)據(jù)融合,加速度計誤差對測量精度的影響被有效抑制。同時,系統(tǒng)的姿態(tài)算法簡化了傳統(tǒng)姿態(tài)檢測算法中大量的矩陣運算,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)測量系統(tǒng)運算速度的同時進一步降低了系統(tǒng)成本。仿真表明,在考慮熱噪聲、機械噪聲及慣性器件誤差等多種誤差因素的情況下,系統(tǒng)的測量誤差可控制在-1.5°~+1.5