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基于MEMS和MR傳感器的嵌入式系統(tǒng)姿態(tài)測(cè)量

作者: 時(shí)間:2013-01-10 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

1.介紹:

傳統(tǒng)的系統(tǒng)采用捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)(SINS),相比平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)而言,其具有體積相對(duì)更小,成本相對(duì)更低,易于安裝和維護(hù)并且可靠性更高的有點(diǎn),因此,捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)在飛行器導(dǎo)航和中得到了廣泛的研究和應(yīng)用。

然而,傳統(tǒng)的系統(tǒng)包括捷聯(lián)式慣導(dǎo)普遍具有體積大,重量大,復(fù)雜程度高等特點(diǎn),使得傳統(tǒng)的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法應(yīng)用于日常應(yīng)用。同時(shí),傳統(tǒng)的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)一般需要一個(gè)尋北系統(tǒng)的輔助來獲得載體的方位角,但是傳統(tǒng)的尋北系統(tǒng)多為基于陀螺的系統(tǒng),其體積和復(fù)雜度也是日常應(yīng)用所無(wú)法接受的??梢姡瑢?duì)于對(duì)體積具有嚴(yán)格限制的而言,需要研制一種小型的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)來滿足其姿態(tài)測(cè)量的要求。技術(shù)和MR技術(shù)的快速發(fā)展,為研制這種低成本,小體積,高集成度的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)提供了可能,從而可以使得對(duì)體積和成本敏感的系統(tǒng)具有姿態(tài)測(cè)量的能力。

本文論述了由組成的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中,三軸用來獲得載體基于重力向量的俯仰角和橫滾角,而三軸的輸出經(jīng)過以俯仰角和橫滾角為參數(shù)的矩陣變換后可以給出載體相對(duì)于地磁北極的方位角。

2.硬件描述:

本論文論述的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)主要由三軸MEMS,三軸,ARM內(nèi)核微控制器和用于顯示結(jié)果的LCD顯示器組成。

2.1三軸MR傳感器

本系統(tǒng)選用了Honeywell的HMC2003三軸磁阻傳感器。HMC2003是一個(gè)高靈敏度三軸MR傳感器,它是由單軸MR傳感器HMC1001和雙軸MR傳感器HMC1002組合而成。其精度可以達(dá)到400ugauss,量程為±2gauss,靈敏度為1V/gauss.磁阻傳感器在經(jīng)歷了強(qiáng)磁場(chǎng)之后會(huì)被磁化而引起磁滯,從而引起輸出信號(hào)的失真,Honeywell的“set/reset”功能可以消除這種磁滯而使傳感器恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。

2.2 三軸MEMS加速度計(jì)

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/259181.htm

本系統(tǒng)中的加速度計(jì)選用了Freescale的MMA7260Q單片三軸加速度計(jì)。MMA7260Q是一個(gè)低成本的電容式微機(jī)械加速度計(jì),其內(nèi)部具有信號(hào)調(diào)整、單極低通濾波器、溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?,其量程可以通過編程選擇1.5g/2g/4g/6g之一。其主要特點(diǎn)如下:



2.3 微處理器

本系統(tǒng)選用的微處理器為Atmel公司的At91sam7s64 ARM微控制器。At91sam7s64是基于32位ARM內(nèi)核的低管腳數(shù)高性能并且內(nèi)置Flash的微控制器。其內(nèi)部集成了64k字節(jié)Flash和16k字節(jié)的SRAM以及大量的外設(shè)接口,例如兩個(gè)USART接口,可以分別用來與PC機(jī)通信和控制串口LCD屏顯示測(cè)量結(jié)果。其具有一個(gè)10位的SAR逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器,并具有8選1模擬復(fù)用器。A/D轉(zhuǎn)換器的采樣率可以達(dá)到384ksps.At91sam7s64的ARM內(nèi)核的最高運(yùn)行頻率可以達(dá)到55MHz,0.9Mips/MHz,以上的特點(diǎn)使At91sam7s64非常適合于低成本體積敏感的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。

2.4硬件結(jié)構(gòu):

本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2.4 -1所示。由于At91sam7s64具有片上A/D轉(zhuǎn)換器而且具有8選1模擬復(fù)用器,使得MMA7620Q和HMC2003可以直接與微控制器相連而不必外加A/D轉(zhuǎn)換器和復(fù)用器,不僅降低了系統(tǒng)的成本和體積,提高了系統(tǒng)的集成度,同時(shí)減少了誤差源,提高了精度。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過ARM核的處理后,被送到串口LCD并通過RS232接口送入PC機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。



3.姿態(tài)參數(shù)的獲得

在本系統(tǒng)中,三軸加速度計(jì)和三軸MR傳感器都以以下的方式安裝于電路板上:它們的X軸平行于系統(tǒng)的橫軸指向右,Y軸平行于系統(tǒng)的縱軸指向前,X、Y、Z軸定義為右手坐標(biāo)系統(tǒng),如圖3 -1所示。



3.1俯仰角與橫滾角的獲得:

為了獲得系統(tǒng)基于重力向量的俯仰角θ和橫滾角φ,需要使用加速度計(jì)的三個(gè)輸出:Ax, Ay, Az.俯仰角和橫滾角可以通過以下公式(1)和公式(2)計(jì)算得到。對(duì)于微控制器,函數(shù)中的arctan(x)需要通過以下公式(3)的泰勒展開后才能計(jì)算得到。



3.2方位角的獲得:

為了獲得系統(tǒng)相對(duì)于當(dāng)?shù)氐卮畔蛄康姆轿唤?,需要使用MR傳感器的三個(gè)輸出Mx, My, Mz.當(dāng)系統(tǒng)置于水平狀態(tài)時(shí)(俯仰角和橫滾角都為0)時(shí),方位角ψ可以由公式(4)直接給出,但是在大多數(shù)情況下,系統(tǒng)并不是工作在水平狀態(tài),此時(shí)地磁場(chǎng)的豎直分量將會(huì)影響Mx和My的值,因此不能直接由公式(4)獲得相對(duì)于地磁向量的方位角。為了在所有情況下都能獲得正確的方位角,必須將俯仰角和橫滾角考慮在內(nèi),即必須通過以俯仰角和橫滾角為參數(shù)的坐標(biāo)變換,將測(cè)得的(Mx, My, Mz)向量變換為與載體坐標(biāo)系有相同方位角的水平坐標(biāo)系下的向量(M‘x , M’y, M‘z),其變換矩陣如公式(5)。



至此,系統(tǒng)的3個(gè)姿態(tài)參數(shù)全部由公式(1)(2)(7)給出。


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