介紹

傳統(tǒng)的姿態(tài)測量系統(tǒng)采用捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)（SINS），相比平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)而言，其具有體積相對更小，成本相對更低，易于安裝和維護并且可靠性更高的有點，因此，捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)在飛行器導(dǎo)航和姿態(tài)測量中得到了廣泛的研究和應(yīng)用。

然而，傳統(tǒng)的姿態(tài)測量系統(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，使得傳統(tǒng)的姿態(tài)測量系統(tǒng)無法應(yīng)用于日常應(yīng)用。同時，傳統(tǒng)的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)一般需要一個尋北系統(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)用所無法接受的。可見，對于對體積具有嚴(yán)格限制的嵌入式系統(tǒng)而言，需要研制一種小型的姿態(tài)測量系統(tǒng)來滿足其姿態(tài)測量的要求。MEMS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)測量系統(tǒng)提供了可能，從而可以使得對體積和成本敏感的系統(tǒng)具有姿態(tài)測量的能力。

本文論述了由MEMS加速度計和MR傳感器組成的姿態(tài)測量系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，三軸MEMS加速度計用來獲得載體基于重力向量的俯仰角和橫滾角，而三軸MR傳感器的輸出經(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于地磁北極的方位角。

硬件描述

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

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USART接口，可以分別用來與PC機通信和控制串口LCD屏顯示測量結(jié)果。其具有一個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到384ksps.At91sam7s64的ARM內(nèi)核的最高運行頻率可以達到55MHz，0.9Mips/MHz，以上的特點使At91sam7s64非常適合于低成本體積敏感的姿態(tài)測量系統(tǒng)。

硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2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，同時減少了誤差源，提高了精度。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的測量數(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機進行進一步的分析。

 
圖1：系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

姿態(tài)參數(shù)的獲得

在本系統(tǒng)中，三軸加速度計和三軸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2所示。

 
圖2：系統(tǒng)坐標(biāo)

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，需要使用加速度計的三個輸出：Ax， Ay， Az.俯仰角和橫滾角可以通過以下公式（1）和公式（2）計算得到。對于微控制器，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算得到。

 

方位角的獲得

為了獲得系統(tǒng)相對于當(dāng)?shù)氐卮畔蛄康姆轿唤?，需要使用MR傳感器的三個輸出Mx， My， Mz.當(dāng)系統(tǒng)置于水平狀態(tài)時（俯仰角和橫滾角都為0）時，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)，此時地磁場的豎直分量將會影響Mx和My的值，因此不能直接由公式（4）獲得相對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個姿態(tài)參數(shù)全部由公式（1）（2）（7）給出。

誤差分析

本文論述的姿態(tài)測量系統(tǒng)主要由MEMS加速度計和MR傳感器組成。由于現(xiàn)有MRMS技術(shù)的限制，其精度和傳統(tǒng)的加速度計還有一定的差距，這將給所得到的俯仰角和橫滾角帶來更大的誤差。MR傳感器是對磁場敏感的器件，當(dāng)其被放置在鐵磁環(huán)境中的時候，地球的磁場將受到附近鐵磁環(huán)境的扭曲，這將導(dǎo)致方位角的誤差。然而這種由于附近鐵磁物質(zhì)的影響而引入的誤差是可以補償?shù)摹?/p>

結(jié)論

使用MEMS加速度計和MR傳感器構(gòu)成的姿態(tài)測量系統(tǒng)有效的降低了整個系統(tǒng)的體積、成本以及功耗，使得嵌入式系統(tǒng)也可以引入姿態(tài)測量的功能。本文論述的姿態(tài)測量系統(tǒng)非常適用于汽車導(dǎo)航，機器人姿態(tài)測量等領(lǐng)域。本文的創(chuàng)新點在于使用MEMS和MR元件構(gòu)造了應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中的姿態(tài)測量系統(tǒng)，并詳細(xì)給出了各姿態(tài)參數(shù)的計算方法。