基于KXR94加速度計(jì)的 微型慣性測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

    微型慣性測(cè)量裝置MIMU(Micro Inertial Measure-ment Unit)以其尺寸小、成本低等特點(diǎn)不僅在傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域得到應(yīng)用，而且在商業(yè)領(lǐng)域占據(jù)了一定的市場(chǎng)。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)高度集成、低功耗及低成本的微型慣性測(cè)量裝置，可精確地測(cè)算出載體的航向角、俯仰角及位置等信息，為運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)打下了基礎(chǔ)，也可廣泛地應(yīng)用于民用航空、車輛控制、機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化、探礦、玩具等領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1 慣性測(cè)量器件選擇
    根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的特征和實(shí)驗(yàn)本身的特點(diǎn)，微慣性測(cè)量裝置應(yīng)該滿足下列設(shè)計(jì)要求：體積小、質(zhì)量輕、功耗低、采集頻率和采集精度高、成本低以及抗沖擊能力強(qiáng)。為了實(shí)現(xiàn)這些需求，微慣性測(cè)量裝置的硬件主要由微慣性傳感器單元MEMS和微處理器單元DSP組成。微慣性傳感器單元由微機(jī)械陀螺和微加速度計(jì)組成，可精確測(cè)量載體的3個(gè)軸向角速度信息和3個(gè)軸向加速度信息。
    加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航與慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的一類重要敏感元件，用來(lái)測(cè)量運(yùn)載體相對(duì)慣性空間運(yùn)動(dòng)的加速度，經(jīng)過(guò)積分和相關(guān)的運(yùn)算就能得到載體空間的位置。加速度計(jì)是一個(gè)直接測(cè)量元件，它能連續(xù)測(cè)量運(yùn)載體的加速度，然后經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)解算出運(yùn)載體速度、經(jīng)緯度及航程等。本系統(tǒng)采用的KXR94加速度計(jì)芯片是Kionix公司生產(chǎn)的三軸加速度計(jì)。該加速度計(jì)內(nèi)部已經(jīng)對(duì)溫度和電壓波動(dòng)引起的偏差進(jìn)行了設(shè)計(jì)補(bǔ)償，因此由于電壓和溫度引起的偏差較小。該器件測(cè)量范圍為±2 g，靈敏度系數(shù)為560 mV／g，非線性度為0．1％，零加速度漂移為±150 mg；2．8～3．3 V均可工作；功耗很低，靜態(tài)電流約1.1 mA。其原理圖如圖1所示。

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      陀螺儀用來(lái)測(cè)量載體的運(yùn)動(dòng)角速度。本設(shè)計(jì)中選用InvenSense公司生產(chǎn)的IDG-300雙軸陀螺，其精度穩(wěn)定在±3°／s以內(nèi)需要200 ms。該器件采用3．0～3．3 V供電；測(cè)量偏航角速度的范圍是±500°／s，靈敏度為2 mV／(rad·s－1)，零位輸出電壓為1．5 V；通過(guò)外部電阻和電容可分別設(shè)定測(cè)量角速度的范圍、帶寬及零位輸出電壓。其原理圖如圖2所示。

     此陀螺未對(duì)內(nèi)部溫度和電壓引起的波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，在設(shè)計(jì)中要充分考慮?？蓮膬蓚€(gè)方面來(lái)彌補(bǔ)其不足：①在電路板布局設(shè)計(jì)時(shí)，陀螺和加速度計(jì)芯片要盡量遠(yuǎn)離電路板上電源、串口等發(fā)熱和電壓波動(dòng)大的芯片；②在軟件算法設(shè)計(jì)時(shí)，運(yùn)用陀螺的溫度漂移系數(shù)對(duì)其進(jìn)行修正。
1．2 硬件電路設(shè)計(jì)
    DSP采用TI公司發(fā)布的C2000系列32位定點(diǎn)信號(hào)處理器TMS320F2812。其整合了高性能的DSP內(nèi)核、128 KB的片上Flash存儲(chǔ)器、16路12位A／D轉(zhuǎn)換器以及SCI串行通信接口。傳感器單元所測(cè)得的模擬量經(jīng)集成在DSP片上的A／D轉(zhuǎn)換器采集寫入片上Flash。所有信息在通過(guò)DSP的捷聯(lián)慣導(dǎo)處理后得到被測(cè)目標(biāo)的位置信息。最終結(jié)果通過(guò)RS232直接發(fā)送至上位機(jī)，并顯示輸出。
    在系統(tǒng)的構(gòu)建中使用了2個(gè)IDG－300型陀螺儀，其中一個(gè)軸向的角度測(cè)量可以作為冗余設(shè)計(jì)。又因算法要求對(duì)加速度計(jì)和陀螺模擬信號(hào)的采集嚴(yán)格控制在同一時(shí)刻，故選用了2片AD684采樣保持放大器。AD684的每個(gè)采樣通道可以在1μs內(nèi)完成采樣，而信號(hào)的損失率不高于0．01 μV／μs，且擁有很好的線性度和交流特性。AD684的控制信號(hào)為S／Hn，將此引腳拉低則進(jìn)行采樣保持。系統(tǒng)將2片AD684的S／Hn信號(hào)連接到DSP的1個(gè)I／O引腳上，這樣可將所有采集信號(hào)采樣保持，為DSP采集做好準(zhǔn)備。圖3是慣性測(cè)量裝置的硬件連接圖。DSP外設(shè)部分采用3．3 V供電，故其SCI引腳的信號(hào)特性為TTL電平。在實(shí)際使用時(shí)通常需要將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平。系統(tǒng)中選用MAX3232將DSP的SCI接口信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)的RS232信號(hào)進(jìn)行通信。這是因?yàn)镽S232的工作范圍是－15～+15 V。如此寬的范圍即使存在電壓衰減，傳輸信號(hào)也可以被可靠地識(shí)別；而一般情況下傳輸線路越長(zhǎng)，衰減就越嚴(yán)重。因此，在同等情況下RS232更能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸。為了使裝置實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，同時(shí)考慮到RS232接口的通用性，本系統(tǒng)選擇MAX3232用于與上位計(jì)算機(jī)通信。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    慣性導(dǎo)航系統(tǒng)屬于一種推算導(dǎo)航方式，即根據(jù)連續(xù)測(cè)得的運(yùn)載體航向角和速度，從一已知點(diǎn)的位置推算出其下一點(diǎn)的位置，因而可連續(xù)測(cè)出運(yùn)動(dòng)體的當(dāng)前位置。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的陀螺儀用來(lái)形成一個(gè)導(dǎo)航坐標(biāo)系，使加速度計(jì)的測(cè)量軸穩(wěn)定在該坐標(biāo)系中，并給出航向和姿態(tài)角；加速度計(jì)用來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)體的加速度，經(jīng)過(guò)對(duì)時(shí)間的一次積分得到速度，再經(jīng)過(guò)對(duì)時(shí)間的一次積分即得到距離。故該裝置在測(cè)量載體角速度與加速度信息的基礎(chǔ)上，能夠確定運(yùn)載體的位置和地球重力場(chǎng)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)載體的多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息的測(cè)量。本系統(tǒng)在DSP復(fù)位以后，首先進(jìn)行芯片的初始化，配置PLL、ADC、GPIO、SCI等各個(gè)功能模塊，之后對(duì)AD684等外設(shè)進(jìn)行配置；當(dāng)AD684完成加速度計(jì)和陀螺儀的信號(hào)采集后，進(jìn)入定位解算程序，將結(jié)果存入緩沖區(qū)；最后向上位機(jī)輸出定位信息。系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

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3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    在實(shí)驗(yàn)室條件下，將微型慣性測(cè)量裝置捆綁到人的腿部，分別進(jìn)行了被測(cè)人員下樓梯和繞環(huán)形樓道行走的跟蹤實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該裝置能正確跟蹤被測(cè)人員的每一步行蹤，且效果良好。圖5和圖6為兩種情況下該裝置輸出的被測(cè)人員的移動(dòng)軌跡。

4 結(jié) 論
    本系統(tǒng)由TMS320F2812信號(hào)處理器、IDG－300型陀螺儀和KXR94加速度計(jì)組成了一個(gè)微型慣性測(cè)量裝置。該裝置可準(zhǔn)確跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)。鑒于該裝置的特點(diǎn)，還可應(yīng)用于帶有運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和狀態(tài)感知的手機(jī)，以監(jiān)視手機(jī)所在位置和被使用狀況；帶有硬盤保護(hù)系統(tǒng)的筆記本電腦和媒體播放器；可移動(dòng)游戲機(jī)，通過(guò)改善當(dāng)前游戲界面和開發(fā)新的基于運(yùn)動(dòng)的游戲，提供更多互動(dòng)、直觀和趣味性強(qiáng)的游戲體驗(yàn)；數(shù)碼相機(jī)，通過(guò)檢測(cè)位置、運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)而自動(dòng)幫助用戶更好地拍照等。