基于mems传感器的姿态检测系统设计

基于mems传感器的姿态检测系统设计

多传感器姿态导航方法姿态指标体系通过测量不同的导航传感器信息，根据数据处理文件的位置、速度和姿态，向相关检测控制系统提供相关检测控制系统对载体的感知和控制。姿态导航系统在海、陆、空、天及地面运动载体的监测都有应用,在这些方面的应用都要求提供连续的位置姿态等运动信息。而随着传感器技术的发展,各种新型传感器的不断出现,姿态导航的应用也更加广泛,在数据通信行业、机器人技术以及生活中的方方面面。当前不同种类的导航系统在精度和成本上都有其不同的优缺点。随着技术的不断发展,利用多种类的传感器的导航系统充分发挥各类传感器的特点,利用多种数据融合算法,实现姿态检测与导航任务。而多传感器构成的导航系统在性能、精度、可靠性等方面都优于单一导航系统。目前,GPS导航、惯性导航是较常用的姿态导航方法。本文利用多传感器组成构建了载体导航系统的硬件平台,分析各模块单元的功能,设计相关的硬件电路包括有数据处理控制单元,传感器单元以及与上位机的通讯控制模块等。1传感器组合姿态检测系统包括有三种类型的惯性传感器,即磁阻传感器、速率陀螺和加速度计。传感器的测量轴与载体坐标系重合,构成捷联惯导的基本传感器组合。在系统中,磁阻传感器测量地球的磁场方向来确定航向角,其缺点是动态性能较差。加速度计用于测量载体运动的加速度,也可以测量相对转动角度。速率陀螺能够实时的测量载体的角速度,通过积分变换完成载体姿态的解算。由于速率陀螺的自身特点导致其误差会随时间累计,测量值会发生漂移,只能在短时间内保证精度。通过将三种类型的惯性传感器进行组合,在保证获得较好的动态稳定性的同时,尽量补偿陀螺传感器带来的误差漂移。这样将能大大提高系统的鲁棒性,并能够提高系统精度。1.1加速度计的运动姿态姿态测量系统包含有磁阻传感器、加速度计和陀螺仪三种传感器类型的信号。姿态测量系统的结构框图如图1所示。在惯性姿态检测系统中,利用加速度测量值解算出载体的运动状况:其中为加速度计在t时刻的三个方向的输出,其中ε为常数,根据系统要求来确定。如果式(1)条件成立,则表明载体的动态误差相对较平稳,波动幅度小。通过磁阻传感器和加速度计的数据结算出一组载体的姿态角,利用陀螺传感器的测量补偿值得到另一组姿态角,通过卡尔曼滤波把载体的两组姿态角进行处理,就可以得到载体在运动过程中的航向角、俯仰角和翻滚角等相关运动姿态信息。若上述条件不满足,则表明载体的动态误差大,此时就直接利用陀螺仪的数据解算出载体姿态角。1.2角测量和旋转角测量则那么俯仰角与横滚角可以得到1.3运动轴上地球磁偏角的测量姿态测量系统中磁阻传感器的三轴也分别沿载体坐标系的三轴放置,分别测量相对于载体坐标系三个运动轴上地球磁感应强度H的投影分量,记为而姿态角θ将由加速度计测量得到,γ代入,根据可确定地磁场相对于水平面上的分量。对于地球的地理北极与磁北极并不完全一致,而导致航向角的误差的问题。这里通过确定磁偏角α来进行修正,而磁偏角可查找相关数据手册。那么载体的修正航向角为2系统的硬件硬件载体姿态检测系统的传感器包括陀螺传感器、加速度传感器及磁阻传感器。系统采集传感器对应三轴的数据,获得载体对应的角速度分量、加速度分量以及地磁场强度分量。然后送入到微处理器中,在微处理器中利用姿态矩阵解算载体的对应的航向角、俯仰角和翻滚角等姿态信息。在通过Kalman滤波器对陀螺偏差引起的姿态误差进行补偿,以获得稳定的姿态角,然后通过数据通信接口发送到上位机上进行载体姿态模拟显示。其系统硬件电路框图如图2所示。载体姿态检测系统当中姿态检测单元是系统的核心。姿态检测单元包括有陀螺仪、加速度计和磁阻传感器。陀螺仪采用了STMicroelectronics公司最新生产的L3G4200D三轴陀螺仪芯片。加速度计采用AD(IAnalog-4-Devices,Inc.)公司的数字式加速度传感器ADXL345。磁阻传感器选用HONEWELL公司三轴磁阻传感器芯片HMC5883。3姿态检测系统程序设计姿态检测系统的硬件电路完成后,将利用J-Link调试仿真器对系统的功能进行程序设计与调试。通过J-Link仿真器可以完成姿态检测系统的程序编写和调试,完成了姿态检测系统的程序设计,其主程序流程图如图3所示。在主程序的控制当中,首先对传感器与系统进行初始化,其中包括陀螺仪、角速度计、磁阻传感器和温度传感器。主控制单元对传感器的数据接口、对数据采集环境进行设置,读取初始参数,完成姿态检测系统的初始化。然后进入姿态数据采集与解算过程当中,在姿态解算过程中利用四元数的解算姿态矩阵,进而获取得到载体的姿态角,并利用Kalman滤波方法进行误差估计,最终通过数据通信接口发送到上位机来完成载体姿态的检测。4系统稳定性验证姿态检测系统发送来的每组的初始数据包括陀螺仪三轴、角速度计三轴、磁阻传感器三轴和温度传感器共十个数据。本文以姿态检测系统的某个静态的工作点获取的数据为例。在计量院的位置设置平台上,当前载体的欧拉角数值分别为X轴的偏转+1°,Y轴的偏转+1°,Z轴的偏转+75°。将本文研究的姿态检测系统放置其上,来验证本系统的稳定性和准确性。设置检测时间为2小时,选取了在此期间检测的相对变化较大的数值,各个传感器的数据如表1所示。上述数据是姿态检测系统各传感器通过主控制单元采集到静态工作点数据中的一部分数据,基本的稳定性较好。初始数据由第二章的方法计算得到四元数为q1=+0.7952;q2=+0.0041;q3=+0.0076;q4=+0.6062。可以推算出其对应的静态工作点为X轴的偏转+0.9°,Y轴的偏转+0.8°,Z轴的偏转+74.6°。对应该点的相对误差为0.1°、0.2°和0.4°。上述数据说明了系统的温度性较好,并能够满足±1°的误差范围。5系统测试结果本文分析了姿态检测的基本原理,设计了姿态检测系统的硬件系统。姿态检测系统的核心传感器单元由三轴磁阻传感器、三轴陀螺仪和三轴的加速度构成。能够有效实现姿态检测中对于翻滚角、俯仰角和航向角的测量。利用姿态检测算法实现了姿态检测的修正。最后对所建立的系统进行了测试,测试结果表明系统的相对误差为0.1°、0.2°和0.4°。上述数据说明了系统的温度性较好,并能够满足±1°的误差范围。姿态测量系统中的加速度计三轴与载体坐标系的三坐标轴对应重合,用于测量载体在载体坐标系中的投影分量,表示为因为加速度计的输出不受航向角的大小影响,故假设。则姿态矩阵变为:在地理坐标系下,加速度计值为由方向余弦矩阵可