基于MEMS和MR傳感器的嵌入式系統(tǒng)姿態(tài)測量———基于MEMS和MR傳感器的嵌入式系統(tǒng)姿態(tài)測

摘要: 本文介紹了一種基于新型MEMS加速度計(jì)和MR（磁阻）傳感器的嵌入式姿態(tài)測量系統(tǒng)。通過本系統(tǒng)，可以獲得載體的三個(gè)姿態(tài)參數(shù)：基于地球磁場的方位角，基于地球重力場的俯仰角和橫滾角。

1. 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(tái)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(hù)并且可靠性更高的有點(diǎn)，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(diǎn)，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(shí)，傳統(tǒng)的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)一般需要一 個(gè)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?？梢?，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(jì)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(jì)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。

2. 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(jì)，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。

　　2.1 三軸MR 傳感器

　　本系統(tǒng)選用了 Honeywell 的HMC2003 三軸磁阻傳感器。HMC2003 是一個(gè)高靈敏度三 軸MR 傳感器，它是由單軸MR 傳感器HMC1001 和雙軸MR 傳感器HMC1002 組合而成。 其精度可以達(dá)到400ugauss，量程為±2gauss，靈敏度為1V/gauss。磁阻傳感器在經(jīng)歷了強(qiáng)磁 場之后會(huì)被磁化而引起磁滯，從而引起輸出信號(hào)的失真，Honeywell 的“set/reset”功能可以 消除這種磁滯而使傳感器恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。

　　2.2 三軸MEMS 加速度計(jì)： 本系統(tǒng)中的加速度計(jì)選用了 Freescale 的MMA7260Q 單片三軸加速度計(jì)。MMA7260Q是一個(gè)低成本的電容式微機(jī)械加速度計(jì)，其內(nèi)部具有信號(hào)調(diào)整、單極低通濾波器、溫度補(bǔ)償 等功能，其量程可以通過編程選擇1.5g/2g/4g/6g 之一。其主要特點(diǎn)如下：

　　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(gè)USART 接口，可以分別用 來與PC 機(jī)通信和控制串口LCD 屏顯示測量結(jié)果。其具有一個(gè) 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(dá)到384ksps。AT91SAM7S64的ARM 內(nèi)核的最高運(yùn)行頻率可以達(dá)到55MHz，0.9Mips/MHz，以上的特點(diǎn)使AT91SAM7S64非常適合于低成本體積敏感的姿態(tài)測量系統(tǒng)。

　　2.4 硬件結(jié)構(gòu)：

　　本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2.4 -1 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(shí)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(jī)進(jìn)行進(jìn)一步 的分析。

3. 姿態(tài)參數(shù)的獲得

　　在本系統(tǒng)中，三軸加速度計(jì)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3 -1 所示。

　　3.1 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(jì)的三個(gè)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(jì)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(jì)算得到。

　　3.2 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(gè)輸出Mx, My, Mz 。當(dāng)系統(tǒng)置于水平狀態(tài)時(shí)（俯仰角和橫滾角都為0）時(shí)，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(shí)地磁場的豎直分量將會(huì)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(gè)姿態(tài)參數(shù)全部由公式（1）（2）（7）給出。

4. 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(jì)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(jì)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(shí)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(bǔ)償?shù)摹?/p>

5. 結(jié)論：

　　使用MEMS加速度計(jì)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(gè)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(jī)器人姿態(tài)測量等領(lǐng)域。本文的創(chuàng)新點(diǎn)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(jì)算方法。