ADISl6300四自由度IMU在姿態(tài)測量中的應(yīng)用

　　近年來，微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)廣泛用于汽車的系統(tǒng)和穩(wěn)定系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)系統(tǒng)、便攜式照相機、運動裝置和三維鼠標(biāo)等領(lǐng)域。簡單和小體積的慣性測量系統(tǒng)尤其受到關(guān)注，因此，基于MEMS的高精度、重量輕、小體積的姿態(tài)測量系統(tǒng)將得到廣泛的應(yīng)用。本文將介紹一種ADI公司的慣性傳感器以及由其組成的微小姿態(tài)測量系統(tǒng)。

　　1 ADISl6300簡介

　　ADISl6300四自由度(4DoF)IMU是一個完整的慣性測量傳感器，其內(nèi)置單軸陀螺儀和三軸加速計，每個傳感器都實現(xiàn)了iMEMS(Motion Sig-nal Processing Technology)技術(shù)與信號調(diào)理技術(shù)的完美結(jié)合，可提供最優(yōu)化的動態(tài)性能。工廠校準(zhǔn)為每個傳感器提供靈敏度、偏置、對準(zhǔn)和線性加速度特性。因此，每個傳感器都擁有自身的動態(tài)補償，從而可以在4．75～5．25 V的電源范圍內(nèi)進行精確的傳感器測量。由于AD-ISl6300所有必要的運動檢測與校準(zhǔn)都是在工廠完成，大幅縮短了系統(tǒng)集成時間，并降低了測試設(shè)備成本。ADISl6300采用改進的SPI接口，可提供更快的數(shù)據(jù)收集與配置控制，用戶實現(xiàn)就像供電及連接SPI(串行外設(shè)接口)端口一樣簡單。ADISl6300采用23 mmx31 mmX7．5 mm封裝，具有2 000 g額定耐沖強度，并提供了一個標(biāo)準(zhǔn)的連接接口，使其能方便水平或垂直安裝。

　　ADISl6300角速度檢測的動態(tài)范圍具有±75、±150以及±300(°)／s 3種選項，三軸加速度的動態(tài)范圍為±3 g，可提供350 Hz帶寬，高達(dá)1 200次／秒的采樣速率，并具有嵌入式與可編程數(shù)字濾波功能。ADISl6300其價格僅為其他同級產(chǎn)品的1／10，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療儀器、機器人、慣性測量單元、導(dǎo)航控制等領(lǐng)域。

　　2 ADISl6300結(jié)構(gòu)功能

　　溫度傳感器、MEMS角速度傳感器和三軸MEMS加速度傳感器分別感知環(huán)境溫度、器件所受角速度和三維加速度，將信號調(diào)理并轉(zhuǎn)換，經(jīng)校準(zhǔn)和數(shù)字信號處理后將數(shù)據(jù)存入輸出寄存器供外部SPI主控器件讀取。ADISl6300是一個智能的傳感器，傳感器上電后便自動以819．2次／秒采樣速率進行慣性測量。每個采樣周期結(jié)束后，傳感器測量結(jié)果存放至輸出寄存器，并且DI01引腳向器件外產(chǎn)生一個脈沖，表示一個完整的新慣性測量數(shù)據(jù)已經(jīng)采集準(zhǔn)備好，可供外部SPI主控器件讀取。

　　3 ADISl6300基本操作

　　3．1 ADISl6300的SPI連接

　　ADISl6300是一個全數(shù)字接口的智能傳感器系統(tǒng)，其SPI接口與各種微處理器SPI主控制器件接線如圖3所示。微處理器作為SPI主器件各引腳功能分別為：為從器件選擇；IRQ為中斷請求；MOSI為主器件輸出，從器件輸入；MISO為器件輸入，從器件輸出；SCLK為連續(xù)時鐘。AD-ISl6300對SPI時鐘需滿足：正常模式下SCLK不高于2 MHz：數(shù)據(jù)進發(fā)模式下SCLK不高于1 MHz；在低電壓模式下SCLK不高于300 kHz。

　　3．2 傳感器數(shù)據(jù)讀取

　　通過ADISl6300的SPI接口可讀取其傳感器的供電電壓，陀螺儀值，X，Y，Z軸加速度值，溫度值，縱搖角，橫搖角等數(shù)據(jù)。根據(jù)ADISl63 00讀取數(shù)據(jù)時序，讀取每個寄存器的內(nèi)容分為兩步，即2個16位的時序：第1個16位時序向ADISl6300寫入讀取命令和寄存器地址；第2個16位時序?qū)?yīng)寄存器內(nèi)容發(fā)送至DOUT數(shù)據(jù)線上。例如：如果第1個16位時序DIN=0x0A00，那么第2個時序時，XACCL_OUT(X軸加速度值)將被發(fā)送到DOUT數(shù)據(jù)線上。

　　數(shù)據(jù)進發(fā)模式是連續(xù)讀取ADISl6300數(shù)據(jù)的最好方式。在10個連續(xù)的時序周期內(nèi)，9個常用寄存器數(shù)據(jù)可方便讀到，它們分別是：SUPPLY _0UT(供電電壓)、GYRO_OUT(陀螺儀)、XACCL_OUT(X軸加速度)、YACCL_0UT(Y軸加速度)、ZACCL_0UT(Z軸加速度)、TEMP_0UT(溫度)、PITCH_ 0UT(俯仰角)、0LL_OUT(橫滾角)和AUX_ADC(ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果)。數(shù)據(jù)進發(fā)模式操作為：在連續(xù)10個時序周期內(nèi)，DIN引腳對應(yīng)的10個輸入數(shù)據(jù)以0011 111O 0000 0000(Ox3E00)開始，之后9個數(shù)據(jù)可任選，同時在DOUT引腳上依次輸出如上所述9個輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)。

　　3．3 數(shù)據(jù)處理

　　表1說明了ADISl6300數(shù)據(jù)輸出的格式和比例因子。從表1中可知，SUPPLY_0UT和AUX_ADC數(shù)據(jù)格式都為12位的二進制數(shù)據(jù)，各慣性傳感器輸出的數(shù)據(jù)格式均為14位2的補碼，溫度傳感器輸出數(shù)據(jù)格式和AUX_ADC數(shù)據(jù)格式都是12位2的補碼，而橫搖角和縱搖角數(shù)據(jù)格式為13位的2的補碼。也就是說0x0000是0LSB．0x0001是+1 LSB，2n-1(n=12，13，14)為-1 LSB，LSB為滿量程輸入范圍的最小單位。若為GYRO_0UT時，1 LSB=O．05(°)／s。下式可用來將輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成浮點形式的姿態(tài)數(shù)據(jù)。

　　式中，DATA_OUTi為表1中輸出數(shù)據(jù)，OUTi為轉(zhuǎn)換后浮點形式的姿態(tài)數(shù)據(jù)，Scale為表1中最小單位，n為表1中數(shù)據(jù)位數(shù)。

　　例如：GYR0_0UT=0x384A，由于，則角速率Rate=(0x4000-Ox384A)×(-0．05)(°)／s=1206x(-0．05)(°)／s=-60．3(°)／s。因此，根據(jù)傳感器方向坐標(biāo)定義，當(dāng)GYRO 0UT為0x384A時，表示傳感器z軸以60．3(°)／s的角速率逆時鐘旋轉(zhuǎn)。