基于ARM與MEMS器件的微慣性測量裝置設(shè)計

　　在仿生推進機理的研究中，精確測量魚類尾鰭拍動參數(shù)對于魚類仿生推進機理研究及工程應(yīng)用具有重要的意義;然而，目前研究者大多采用分析高速攝像機拍攝的圖像獲得參數(shù)的觀測方法。這種方法受到環(huán)境與設(shè)備的限制，結(jié)果精確度較差。本設(shè)計是一種基于MEMS器件的生物運動微慣性測量裝置。利用該裝置實現(xiàn)了對SPC-III機器魚尾鰭拍動參數(shù)的精確測量，為國內(nèi)首次利用MEMS器件進行的活體魚尾鰭拍動參數(shù)測量實驗打下了基礎(chǔ)，為機器魚仿生推進設(shè)計理論提供支撐。

　　1 設(shè)計要求和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)活體魚類的生物特征和實驗本身的特點，微慣性測量裝置應(yīng)該滿足下列設(shè)計要求：體積小，質(zhì)量輕，功耗低，采集頻率和采集精度高，防水密封性能良好。為了實現(xiàn)這些需求，微慣性測量裝置的硬件由兩部分組成：①微處理器單元;②微慣性傳感器單元。微處理器單元主要包括微處理器、A/D轉(zhuǎn)換芯片和Flash。微處理器作為核心單元，通過SPIl口連接A/D轉(zhuǎn)換芯片完成數(shù)據(jù)采集，通過SPIO口連接Flash完成數(shù)據(jù)存儲，通過串口與上位機通信。微慣性傳感器單元是由MEMS加速度計和MEMS陀螺所組成的，完成加速度與角速度的原始信息采集任務(wù)。采集的原始信息經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換處理后，寫入Flash芯片中保存，或通過串口直接發(fā)送至上位機進行處理。系統(tǒng)原理簡圖如圖l所示。

　　2 微處理器單元

　　2.1 LPC2129處理器

　　本裝置既要求微處理器具有一定的處理能力又要求功耗低、體積小，所以選用Philips公司的LPC2129。LPC2129基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-SCPU，并帶有16 KB片內(nèi)SRAM和256KB嵌入的高速片內(nèi)Flash存儲器。LPC2129具有LQFP64的較小封裝、極低的功耗、多個32位定時器、4路10位ADC、9個外部中斷、最多可達46個GPIO等。

　　在LPC2129的軟件設(shè)計上，未采用ARM上常用的uC/OS-II或uClinux操作系統(tǒng)，而是使用前后臺式的定時中斷結(jié)構(gòu)。這種前后臺式的定時中斷結(jié)構(gòu)更適于實時性要求很高的控制系統(tǒng)，可以保證控制回路延遲均在一個設(shè)計確定的范圍內(nèi)，并且各個模塊問優(yōu)先級關(guān)系十分明確，使用起來較為方便。

　　2.2 A/D轉(zhuǎn)換采集芯片ADSl256

　　A/D轉(zhuǎn)換芯片采用美國TI公司的24位串行模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADSl256。其可提供高達23位的無噪聲精度，數(shù)據(jù)速率最高可達30 ksps。ADSl256采用四線制SPI通信方式，與LPC2129的SPIl接口相連，可以靈活方便地進行通信。

　　ADS1256采用多通道循環(huán)采集的工作方式。在數(shù)據(jù)準備信號DRDY提示可以提取數(shù)據(jù)后，首先將當前的采集通道變?yōu)橄乱粋€采集通道，開始新的采集轉(zhuǎn)換，然后再馬上提取A/D轉(zhuǎn)換寄存器中的數(shù)據(jù)(這時的數(shù)據(jù)其實是上一輪轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù))。這種方式在實現(xiàn)提取數(shù)據(jù)的同時進行新數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換，是一種高效率的工作方式。

　　2.3 Flash芯片AT45DB041B

　　Flashl選用Atmel公司的可編程串行存取芯片AT45DB041B。主存儲單元分為2048頁，每頁264字節(jié);具有2個264字節(jié)靜態(tài)隨機存儲器作為數(shù)據(jù)緩沖器。

　　AT45DB04lB與LPC2129的SPI0接口相連，采集的數(shù)據(jù)首先寫入Flash的緩沖區(qū)2中，再將緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)寫入Flash的主存頁面進行保存，待離線的數(shù)據(jù)分析處理。

　　3 微慣性傳感器單元

　　微慣性測量裝置的MEMS傳感器單元由微機械陀螺和微加速度計組成，可精確測量載體的一個軸向角速度信息和一個軸向加速度信息。

　　3.1 ADXRS300單角速度陀螺儀

　　ADXRS300是美國模擬器件公司生產(chǎn)的基于MEMS技術(shù)的角速度傳感器。ADXRS300采用+5V電源供電，測量偏航角速度的范圍是±300rad/s，靈敏度為5mV/(rad·s-1)，零位輸出電壓為2.5V。通過外部電阻和電容可分別設(shè)定測量角速度的范圍、帶寬及零位輸出電壓。采用BGA-32封裝技術(shù)，外圍尺寸僅為7mm×7mm×3mm，重量僅0.5g。

　　設(shè)被測量的角速度為αv，單位為(°)/s;輸出電壓為Uo，單位為mV;靈敏度K為5mV/(°)·s-1，零位輸出電壓為2.5V，則有關(guān)系式：

　　3.2 ADXLl50單軸加速度計

　　ADXL150是美國模擬器件公司生產(chǎn)的基于MEMS技術(shù)的單軸微加速度傳感器。ADXL150的主要性能特點：零位輸出偏置電壓為Us/2，測量范圍為±50g，靈敏度系數(shù)為38mV/g，非線性度0.2%，零加速度漂移為O.2g;4～6V供電均可工作;功耗很低，靜態(tài)電流只有1.8～3.5mA。

　　設(shè)被測量的加速度為av，單位為g;輸出電壓為Uo，單位為mV;靈敏度為K，單位為mV/g;電源電壓為Vs，單位為mV，則有關(guān)系式：

　　4 速度、角度、位移的測量原理

　　角速度與加速度信息經(jīng)過積分計算處理后，可以得到角度、速度、位移等信息，故該裝置在可測量載體角速度與加速度信息的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)載體的多種運動狀態(tài)信息的測量。

　　設(shè)采樣周期為T，v(k)為kT時刻的速度，x(k)為kT時刻的位移，a(k)為kT時刻的加速度，a(k)為加速度的連續(xù)真值，則有下列求解速度的積分公式：

　　區(qū)間[kT，(k+1)T]內(nèi)所包的面積。己知加速度在kT、(k+1)T時刻的采樣值為a(k)和a(k+1)可以把加速度a(t)在時間區(qū)間[kT，(k+1)T]內(nèi)所包圍的形狀近似為一矩形或梯形，采用梯形更精確一點，如圖2所示。

　　因而上式可以近似為：

　　已知A/D采樣周期為t，在某時刻T1時載體的角速度為w1，線加速度為a1，線速度為v1。經(jīng)過一個采樣周期t后，在T1+t時刻載體的角速度為w2，線加速度為a2，線速度為v2，在該采樣周期t中載體轉(zhuǎn)過的角度為α，載體的位移為s，則有：

　　通過積分計算即可得到載體的角度、速度、位移等信息。

　　5 應(yīng)用

　　5.1 系統(tǒng)集成

　　微慣性測量裝置由處理器單元模塊和傳感器單元模塊組成。兩模塊通過板問總線連接，相錯放置，以最大限度地利用空間，達到微小化的尺寸要求。裝置采用7.2V鋰電池供電。最終封裝后的裝置重量僅為25g。

　　采用NI公司的LabWindows/CVI軟件開發(fā)了上位機數(shù)據(jù)處理軟件。數(shù)據(jù)處理軟件讀取微慣性測量裝置采集的速度信息，生成速度/角度，位移曲線，得到載體的擺角、振幅值。

　　5.2 SPC-III機器魚尾鰭拍動參數(shù)測量實驗

　　利用該微慣性測量裝置對北京航空航天大學機器人研究所ITM實驗室開發(fā)的SPC-III機器魚進行了機器魚尾鰭拍動參數(shù)的測量實驗。微慣性測量裝置安裝于機器魚尾鰭尾柄處，測量裝置的采集頻率設(shè)定為1kHz。SPC-III機器魚以1Hz頻率穩(wěn)定拍動情況下，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)上位機數(shù)據(jù)處理軟件處理，可得到SPC-III機器魚的尾鰭拍動參數(shù)：拍動頻率1Hz，擺角幅度41.70°，振幅97.368mm，最大角速度124.264(°)/s。角速度曲線如圖3、圖4所示。

　　由表1可知，測量數(shù)據(jù)與理論設(shè)計數(shù)值相差不大。造成誤差的可能原因：陀螺與加速度計本身存在誤差偏值，其中包括零位誤差和動態(tài)誤差等;機器魚尾鰭拍動機構(gòu)不是非常精密，存在偏差。

　　根據(jù)魚類尾鰭推力的估算方法，估算得到SPC-III機器魚以1 Hz頻率拍動時尾鰭產(chǎn)生的平均推力為10 N，如表2所列。

　　SPC-III機器魚采用的兩關(guān)節(jié)并聯(lián)機構(gòu)尾鰭推進器可以產(chǎn)生幾十牛的推力，實際推力與估算推力基本符合，初步驗證了基于理想推進器理論和動量定理的尾鰭推力估算方法。在不具備水洞模型試驗、CFD水動力計算仿真的條件下，利用該方法能夠快速、簡便地得到尾鰭推力的估計值，或反解尾鰭的運動參數(shù)。這種推力估算方法已經(jīng)成功地運用于北京航空航天大學ITM實驗室SPC系列機器魚的設(shè)計和實驗工作中。

　　結(jié)語

　　利用一種基于MEMS器件的微慣性測量裝置，可進行SPC-III機器魚尾鰭拍動參數(shù)的精確測量。微慣性測量裝置體積小，質(zhì)量輕，功耗低，可得到載體的加速度、角速度、速度、位移、角度等運動信息，可應(yīng)用于生物運動測量、體育運動測量、人體健康監(jiān)測等多種領(lǐng)域。