基于安芯一號(hào)的六軸姿態(tài)控制板設(shè)計(jì)

　　一、項(xiàng)目設(shè)計(jì)背景及概述

　　在許多工程應(yīng)用中，都需要測(cè)量載體與水平面的傾斜角度。對(duì)于導(dǎo)航定位系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，姿態(tài)信息更是一個(gè)重要參數(shù)。本系統(tǒng)主要目標(biāo)是在動(dòng)態(tài)情況下通過(guò)姿態(tài)融合得到精確的俯仰角和橫滾角。首先采用加速度傳感器測(cè)量?jī)A斜角度，并對(duì)測(cè)量角進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理以減少誤差，其次加入陀螺儀進(jìn)行姿態(tài)融合，主要方法為卡爾曼濾波，得到系統(tǒng)的橫滾角和俯仰角。該方法廣泛應(yīng)用于工程中，技術(shù)成熟，姿態(tài)融合效果良好。

　　慣性測(cè)量單元在飛行器制造、傳感器技術(shù)領(lǐng)域都能見(jiàn)其身影，應(yīng)用前景十分廣泛。一般的，一個(gè)IMU包含了三個(gè)單軸的加速度計(jì)和三個(gè)單軸的陀螺，加速度計(jì)檢測(cè)物體在載體坐標(biāo)系統(tǒng)獨(dú)立三軸的加速度信號(hào)，而陀螺檢測(cè)載體相對(duì)于導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度信號(hào)，測(cè)量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態(tài)。在導(dǎo)航中用著很重要的應(yīng)用價(jià)值。

　　為了提高可靠性，還可以為每個(gè)軸配備更多的傳感器。一般而言IMU要安裝在被測(cè)物體的重心上。IMU大多用在需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)備，如汽車和機(jī)器人上。也被用在需要用姿態(tài)進(jìn)行精密位移推算的場(chǎng)合，如潛艇、飛機(jī)、導(dǎo)彈和航天器的慣性導(dǎo)航設(shè)備等。利用三軸加速度計(jì)，受外力加速度影響很大，在運(yùn)動(dòng)/振動(dòng)等環(huán)境中，輸出方向角誤差較大。加速度測(cè)量的是重力方向，在無(wú)外力加速度的情況下，能準(zhǔn)確輸出ROLL/PITCH兩軸姿態(tài)角度，并且此角度不會(huì)有累積誤差，在更長(zhǎng)的時(shí)間尺度內(nèi)都是準(zhǔn)確的。但是加速度傳感器測(cè)角度的缺點(diǎn)是加速度傳感器實(shí)際上是用MEMS技術(shù)檢測(cè)慣性力造成的微小形變，而慣性力與重力本質(zhì)是一樣的，所以加速度計(jì)就不會(huì)區(qū)分重力加速度與外力加速度，當(dāng)系統(tǒng)在三維空間做變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的輸出就不正確了。

　　二、項(xiàng)目設(shè)計(jì)原理

　　1、 原理概述

　　陀螺儀輸出角速度，是瞬時(shí)量，角速度在姿態(tài)平衡上是不能直接使用，需要角速度與時(shí)間積分計(jì)算角度，得到的角度變化量與初始角度相加，就得到目標(biāo)角度，其中積分時(shí)間Dt越小，輸出角度越精確，但陀螺儀的原理決定了它的測(cè)量基準(zhǔn)是自身，并沒(méi)有系統(tǒng)外的絕對(duì)參照物，加上Dt是不可能無(wú)限小，所以積分的累積誤差會(huì)隨著時(shí)間流逝迅速增加，最終導(dǎo)致輸出角度與實(shí)際不符，所以陀螺儀只能工作在相對(duì)較短的時(shí)間尺度內(nèi)。

　　所以在沒(méi)有其它參照物的基礎(chǔ)上，要得到較為真實(shí)的姿態(tài)角，就要利用加權(quán)算法揚(yáng)長(zhǎng)避短，結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，擯棄其各自缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)算法在短時(shí)間尺度內(nèi)增加陀螺儀的權(quán)值，在更長(zhǎng)時(shí)間尺度內(nèi)增加加速度權(quán)值，這樣系統(tǒng)輸出角度就接近真實(shí)值了。

　　2、 硬件設(shè)計(jì)原理

　　2.1加速度計(jì)模塊

　　圖2.1為加速度傳感器模塊電路圖。加速度計(jì)選用Analog Device（亞德諾半導(dǎo)體）公司的ADXL345，該傳感器是一款三軸數(shù)字加速度傳感器，其感應(yīng)精度可達(dá)3.9mg/LSB，傾角測(cè)量典型誤差小于1°，且感知加速度的最大范圍是 16g。具有超低功耗、采樣速率可調(diào)、測(cè)量模式可調(diào)等特點(diǎn)。在實(shí)際使用過(guò)程中，一般設(shè)置感應(yīng)范圍為 2g，感應(yīng)精度為3.9mg/LSB，這樣可以提高輸出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，滿足系統(tǒng)加速度范圍和精度要求。它可以在傾斜檢測(cè)應(yīng)用中測(cè)量靜態(tài)重力加速度，還可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)或者沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度。

　　圖2.1 加速度計(jì)模塊原理圖

　　2.2陀螺儀模塊

　　陀螺儀采用InvenSense（應(yīng)美盛）公司的ITG3205。圖2.2為陀螺儀模塊的原理圖設(shè)計(jì)。該芯片用于測(cè)量繞三軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度值，是一個(gè)數(shù)字輸出的將X、Y、Z三軸角速度傳感器整合在單一電路上的三軸陀螺儀。其特性在于運(yùn)用了三個(gè)16位A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)數(shù)字化陀螺儀輸出端，有程控的內(nèi)建低通濾波器帶寬，以及快速模式的IIC接口。除此之外，還有內(nèi)建溫度傳感器以及精準(zhǔn)差僅為2%的內(nèi)建震蕩設(shè)計(jì)。

　　圖2.2 陀螺儀模塊原理圖

　　陀螺儀可以測(cè)量載體角速度，具有高動(dòng)態(tài)特性，但是它是一個(gè)間接測(cè)量器件，它測(cè)量的是角度的導(dǎo)數(shù)（角速度），所以必須要將角速度測(cè)量值對(duì)時(shí)間積分才能得到角度。

　　3、 軟件設(shè)計(jì)原理

　　系統(tǒng)上電后完成一系列初始化步驟后便進(jìn)入工作狀態(tài)。分別對(duì)三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與補(bǔ)償，通過(guò)加速度計(jì)與陀螺儀的姿態(tài)融合，得出載體在靜態(tài)與動(dòng)態(tài)條件下都準(zhǔn)確的俯仰角和橫滾角。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)不同的功能采用不同的程序塊，可以簡(jiǎn)化編程，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，同時(shí)，可以增加代碼的重用性，便于實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。

　　三、項(xiàng)目設(shè)計(jì)框圖

　　1、硬件設(shè)計(jì)框圖

　　圖3.1 硬件設(shè)計(jì)框圖

　　2、軟件設(shè)計(jì)框圖

　　圖3.2 軟件設(shè)計(jì)流程圖

　　3、姿態(tài)融合算法框圖

　　圖3.3 卡爾曼濾波結(jié)構(gòu)框圖

　　四、測(cè)試結(jié)果

　　項(xiàng)目達(dá)到的關(guān)鍵硬件指標(biāo)

　　4.1系統(tǒng)實(shí)物圖片

　　PCB正面圖：

　　PCB反面圖：

　　項(xiàng)目實(shí)物圖：

　　4.2姿態(tài)融合效果分析

　　系統(tǒng)采用卡爾曼濾波函數(shù)進(jìn)行加速度計(jì)與陀螺儀的姿態(tài)融合。圖4.1所示為姿態(tài)融合前的系統(tǒng)水平時(shí)橫滾角輸出曲線圖，即僅由加速度計(jì)ADXL345計(jì)算得到的角度。該組實(shí)驗(yàn)在動(dòng)態(tài)條件下完成，即保持載體與水平面角度不變的前提下（在此測(cè)試橫滾角，并取角度值為0°），人為給系統(tǒng)施加外力作用，使系統(tǒng)受到外部加速度干擾，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)繪制曲線。從圖中可以看出，在系統(tǒng)受到外力作用下，數(shù)據(jù)精確度大大降低。圖中最大誤差達(dá)到50°。

　　圖4.1 姿態(tài)融合前橫滾角輸出曲線圖

　　圖4.2所示為姿態(tài)融合后的系統(tǒng)水平時(shí)橫滾角輸出曲線圖。從圖中可以看出，即使系統(tǒng)受到外部加速度的干擾，仍能保持橫滾角在0°及0°附近很小的范圍內(nèi)波動(dòng)。最大誤差僅有1°。姿態(tài)融合算法有效減小了動(dòng)態(tài)條件下的系統(tǒng)誤差。

　　圖4.2 姿態(tài)融合后橫滾角輸出曲線圖

　　視頻網(wǎng)址 http://pan.baidu.com/s/1dDoW0d7