基于MEMS傳感器的運(yùn)動(dòng)物體軌跡仿真研究

作者 張文瑞 張丕狀 中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(山西 太原 030051)

張文瑞(1991-)，女，碩士生，研究方向：信號(hào)處理;張丕狀，男，教授，博士，研究方向：信號(hào)與信息處理、嵌入式、慣性導(dǎo)航技術(shù)等。

摘要：本文構(gòu)建了以MPU6050傳感器為核心的數(shù)字采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集得到三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)隨直徑為25cm轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)一周的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，基于四元素的姿態(tài)更新算法描繪其運(yùn)動(dòng)軌跡;為驗(yàn)證算法的正確性，分析了傳感器在轉(zhuǎn)臺(tái)上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真模擬上述運(yùn)動(dòng)，得到傳感器輸出數(shù)據(jù)，仍通過(guò)上述算法解算運(yùn)動(dòng)軌跡。仿真出運(yùn)動(dòng)軌跡確實(shí)近似是直徑為25cm的圓，從而驗(yàn)證了此算法的準(zhǔn)確性。此外，通過(guò)對(duì)比仿真軌跡結(jié)果和實(shí)際數(shù)據(jù)解算運(yùn)動(dòng)軌跡，發(fā)現(xiàn)由于運(yùn)動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，陀螺漂移和積分累積誤差對(duì)軌跡測(cè)量的精度有著不可忽視的影響;MPU6050傳感器精度太低，適用于短時(shí)間低速運(yùn)動(dòng)或微小旋轉(zhuǎn)角度場(chǎng)合。

引言

　　現(xiàn)如今，在慣性測(cè)量領(lǐng)域已經(jīng)廣泛運(yùn)用MEMS技術(shù)進(jìn)行加速度、速度以及位移的測(cè)量控制，如：測(cè)量人體某個(gè)部位的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)^[1]，飛行器某時(shí)刻的姿態(tài)信息、軌跡航向[2]等。查閱國(guó)內(nèi)外許多參考文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)MEMS傳感器的各種應(yīng)用，人們還在不斷地探索，未來(lái)五到十年應(yīng)該是該領(lǐng)域高速發(fā)展的又一新階段^[3]。例如香港大學(xué)的學(xué)者們?cè)谥铝τ谘芯恳环N基于MEMS慣性傳感器的電子筆，它可以無(wú)接觸地重構(gòu)出筆端的運(yùn)動(dòng)軌跡;德國(guó)慕尼黑大學(xué)的學(xué)者們也在試圖利用這種 MEMS慣性單元識(shí)別出載體的運(yùn)動(dòng)軌跡^[4-6];國(guó)內(nèi)國(guó)防科技大學(xué)、中國(guó)計(jì)量學(xué)院也都在積極地做這方面的研究^[7-8]。

　　由于受MEMS傳感器精度的影響，現(xiàn)有的研究成果普遍存在著軌跡重構(gòu)的精度不夠高，姿態(tài)誤差隨時(shí)間積累效應(yīng)明顯等缺點(diǎn)，為探究傳感器精度對(duì)軌跡重構(gòu)的影響程度，本文嘗試?yán)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/低精度">低精度傳感器MPU6050重構(gòu)物體運(yùn)動(dòng)軌跡。通過(guò)仿真模擬傳感器裝置在轉(zhuǎn)臺(tái)上運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)比仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果，分析影響實(shí)測(cè)結(jié)果的主要因素。

　　研究思路如下：在直徑為25cm，順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的低速轉(zhuǎn)臺(tái)上按如下安裝方式將傳感器裝置盡量水平安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，并隨轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)一周，利用相關(guān)算法描繪運(yùn)動(dòng)軌跡。為驗(yàn)證算法的正確性，模擬了傳感器在轉(zhuǎn)臺(tái)上運(yùn)動(dòng)時(shí)三軸加速度和角速度輸出，仿真其運(yùn)動(dòng)軌跡。

　　MPU6050傳感器相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如下：

　　1)加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)：初始標(biāo)定誤差：±3%; 零偏輸出：X、Y軸：±50 mg，Z軸：±80 mg。

　　2)陀螺儀傳感器技術(shù)指標(biāo)： 初始標(biāo)定誤差：±3%;零偏輸出：±20°/s(溫度25℃)。

　　筆者曾對(duì)影響加速度傳感器精度的一些指標(biāo)(如加速度計(jì)的零偏和標(biāo)度因子)運(yùn)用六位置法^[9]進(jìn)行加速度計(jì)靜態(tài)校準(zhǔn)，結(jié)果：X軸零偏誤差縮小到22.5mg，標(biāo)度因子誤差縮小在-0.15%～0.5%;Y軸零偏誤差縮小到8.2mg，標(biāo)度因子誤差縮小在0.25%～1.3%;Z軸零偏誤差縮小到37.83 mg，標(biāo)度因子誤差縮小在-1.85%～0.43%，相比上述技術(shù)指標(biāo)，傳感器精度明顯得到改善。此外，運(yùn)用論文[10]里提到的橢球擬合法對(duì)安裝過(guò)程中存在的非正交誤差角做了相關(guān)校準(zhǔn)和補(bǔ)償，能有效減小加速度計(jì)的非正交誤差對(duì)傳感器測(cè)量誤差的影響。

1 轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)研究方法和仿真?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)生成

1.1 轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)研究方法

　　實(shí)驗(yàn)中，轉(zhuǎn)臺(tái)以順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)，獲得運(yùn)動(dòng)角速度，通過(guò)計(jì)算得到角加速度近似為0.37 rad/s2。傳感器Z軸沿豎直方向向上，X軸指向轉(zhuǎn)臺(tái)圓心，Y軸沿運(yùn)動(dòng)方向。理想情況下，傳感器Z軸角速度即為轉(zhuǎn)臺(tái)角速度，另兩軸無(wú)角速度;但由于傳感器裝置在轉(zhuǎn)臺(tái)上的安裝并非水平，使得傳感器各軸與轉(zhuǎn)臺(tái)平面存在微小的傾角，導(dǎo)致轉(zhuǎn)臺(tái)角速度和傳感器Z軸角速度并不完全一致。從運(yùn)動(dòng)學(xué)合成和分解的角度出發(fā)，傳感器各軸角速度輸出是由轉(zhuǎn)臺(tái)角速度提供，即轉(zhuǎn)臺(tái)角速度矢量在傳感器三軸的分量即為其瞬時(shí)角速度輸出。圖1給出了簡(jiǎn)易轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)裝置的俯視圖。