基于mems的微型飞行器姿态测量系统

《基于mems的微型飞行器姿态测量系统》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

122传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)2013年第32卷第2期基于MEMS的微型飞行器姿态测量系统曹晓棠，石云波，周兆英，刘绍鹏，郭奇，赵斐(中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原030051)摘要：利用三轴加速度计和三轴磁强计，设计_r基于MEMS技术的微型飞行器姿态测量系统。系统采用C8051F单片机进行各传感器的数据采集，通过串口通信将采集的信息发送到上位机，用四元数解算算法进行数据融合和姿态解算，将俯仰角，横滚角、航向角等信息在上位机界面上显示出来。关键词：微机电系统；姿态测量；上位机中图分类号：TP217．1文献标识码：A文章编号：1000-9787(2013)02-0122-02AttitudemeasurementsystemformicroairvehiclebasedonMEMSCAOXiao—tang，SHIYun—bo，ZHOUZhao—Ying，IJUShao—peng，GUOQi，ZHAOFei(NationalKeyLaboratoryofElectronicMeasurementTechnology，NorthUniversityofChina，Taiyuan030051，China)Abstract：Usingthree—axisaccelerometerandthree—axismagnetometer，anattitudemeasurementsystembasedonMEMSformicroairvehicleisdesigned．ThesystemusesC8051FMCUtocollec!datasofsensors，anddatasaresenttoupperPCbyserialcommunication，thenfourelementalgorithmisusedfordatafusionandattitudecalculation，thepitch，roll，headingangleisdisplayedontheinterfaceofupperPC．Keywords：MEMS；attitudemeasurement；upperPC0引言一，可以测载体的运动加速度，并对加速度进行积分，可得姿态测量在机器人、微型飞行器⋯的位姿控制以及人到载体的速度和位置等信息；也可以在倾斜检测中测量静体的姿态跟踪等方面起着非常重要的作用。它为1{I控系统态加速度。等提供飞行数据，进而实现更好的稳定飞行和轨迹预测。这里以单轴加速度为例说明其测量原理。当加速度计传统的姿态测量系统主要由高精度陀螺和加速度计组成，的某一敏感轴与重力加速度方向相同时，其感应量对应g；体积较大，结构复杂。微机电系统(micro—electro—mechanical当单轴加速度计的敏感轴与重力加速度方向相反时，其感system，MEMS)技术是将机械装置和集成电路集成在一个应量为一g；当物体姿态改变时，加速度计敏感轴随物体转芯片内，具有体积小、质量轻、功耗低等优点。本文设计的动角度，则其感受到的加速度为。，如图l所示。若定义MEMS姿态测量系统集成了加速度计与磁强计，利用0角如图1所示，为单轴加速度敏感轴与水平面的夹角，敏C8051F进行数据采集，通过无线传输，将数据发送到上位感轴的测量值为n，如式(1)，0角解算如式(2)机进行数据融合、姿态解算。整个电路体积小、质量轻、功Ⅱ=-gsin0，(1)耗低、性能可靠、使用方便。1测量原理载体的姿态是相对参照系而言的，求载体的姿态，即求载体坐标系相对于地理坐标系的姿态信息，其中涉及到坐标系的转换。1．1微加速度计测姿基本原理图1加速度计测量原理图加速度计是惯性导航和制导系统的基本测量元件之Fig1Diagramofmeasurementprincipleofaccelerometer收稿日期：2012-07-04基金项目：国家自然科学基金资助项目(51075375) 第2期曹晓棠，等：基于MEMS的微型飞行器姿态测量系统1230=一arcsin旦微处理器选用的是C8051F系列的单片机。它采用．(2)g8051内核，包含ISPFlash存储器和JTAG接口，功耗低，运1．2微磁强计测姿基本原理算速度可达50MIPS，具有24个10口，且有多种类型标准数磁强计是用来测量磁感应强度的传感器，在姿态测量字接口，如I。C，SPI，UART等。中多用于测量物体的方位角。建立“北一东一地”坐标系，如数据收发模块中，通过UART(universalasynchronousre-图2所示。日为地球磁场，忽略磁偏角(大约为5。)，磁倾角ceiver／transmitter)与上位机通信。它是一种通用异步串行为。已知地磁场的大小约为0．5—0．6Gs，在水平面内分数据总线，该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。量与地球表面平行，指向地磁北极。初始位置定义：，y两因为计算机内部采用并行数据，不能直接把数据发到Mo．轴位于平面内，指向正北，】，指向正东。在图2中，当，ydem，必须经过UART整理才能进行异步传输。两轴在平面内顺时针转过角时，在磁强计的，y轴上测3软件设计得的磁场强度分别是，。根据磁强计测得的磁场值，本系统的软件分为单片机和上位机两部分。即可获得航向角的信息如式(3)单片机主要完成各传感器的数据采集和数据传输，在~h=-arctan(3)siliconlaboratoriesIDE环境下对程序进行编译和在线调试。本模块采用24．5MHz的内部振荡器作为单片机时钟源，数据位8，停止位1，传感器数据采集频率为20Hz。单片机的流程图为图4。上位机主要来完成数据的接收、数据融合和姿态显示。界面主要显示有水平仪、磁罗盘和高度仪表盘以及解算出的俯仰、滚转、航向角和气压、温度、高度的实时数值。图2磁强计方位解算原理图Fig2Principlediagramofazimuthsolutionofmagnetometer2硬件设计二二=本文所设计的无线姿态测量系统包括电源模块、传传感器初始化l感器模块、处理器模块、数据收发模块。系统结构如图3所二二三三一_传感器数据采集l示。数据传输l(结束)图4单片机程序流程图Fig4ProgramflowchartofMCU图3硬件框图4实验结果Fig3Blockdiagramofhardware对设计的无线姿态测量系统采用四元数算法进行姿电源模块包括一个电源接口和一个电源稳压芯片，为态解算，有效避免了利用欧拉角解算时的奇异点问题。对处理器和各传感器提供3．3V的电压，输入电压范围为其进行全姿态的角度测量。把其固定到转台上，每隔5。记2．6～12V。录一组3个姿态角的输出。图5为转台转动一周，转台转传感器模块中包含三轴加速度计和三轴磁强计。2只角与各姿态角间的关系曲线。传感器均采用数字接口。数字线性加速度计满量程为±2，5结论±4，±8，_+16g，10位ADC，灵敏度为256LSB／g。磁强计本文利用三轴加速度计和三轴磁强计与压力传感器设的测量范围为±4Gs，采用霍尼韦尔的各向异性磁阻技术，计了基于MEMS的微型飞行器无线姿态去测量系统，实验主要特点在于轴向高灵敏度和线性、固相结构、垂直轴间低结果表明：该MEMS姿态测量系统能够测量的俯仰角为灵敏度，用于测量地磁场的方向和磁力。它的分辨率可以+90。，横滚角为-．180。，航向角为0。-360。。俯仰角和横滚达到7mGs，并且内部采用l2位ADC，以保证对磁场强度的角的静态测量误差为±0．8。，航向角的静态测量误差为±1．2。。精确测量。压力传感器输出绝对大气压和温度信号，气压(下转第127页)分辨率在0．024mbar，温度分辨率小于0．01℃。 第2期管凤旭，等：指静脉与折痕双模态图像采集系统设计127[2]FuYao，MaZhixing，QiMiao，eta1．Anoveluser—specificfaceandpalmprintfeaturelevelfusion[c]∥IntelligentInformationTech—nologyApplication，2008：296-300．[3]KounoM，UekiH，UmemuraShin-iehirn．Near—infraredfingerveinpatternsforpersonalidentification[J]．AppliedOptics，一2002，41：7429-7436．[4]NaotoM，AkioN，TakafumiM．Featureextractionoffingervein图8双模态图像采集系统patternsbasedonrepeatedlinetrackinganditsapplicationtoper—Fig8Dual·modalimageacquisitionsystemsonalidentification[J]．MachineVisionandApplications，2004，15(4)：194-203．[5]TakedaM，Uatoshis，HiramatsuK，eta1．Fingerimageidentifica—tionmethodforpersonalverification[C]∥Proceedingofthe10thInternafionalConferenceonPatternRecognition，1990：761—766．图9手指指节折痕与静脉图像[6]RibaficS，FratricI．AbiometricidentificationsystembasedonFig9Imagesoffingerveinandfingercreaseeigenpalmandeigenfingerfeatures[J]．PatternAnalysisandMa—节折痕图像。该系统为非接触式采集模式，成本低，且能够chineIntelligence，2005，27(11)：1698-1709．在上位机采集软件中将SVGA(分辨率800×600)图像模式[7]李强，裘正定，孙冬梅，等．指横纹：一种新的生物身份特征[J]．自动化学报，2007，33(6)：596-601．以24帧／S的视频形式显示。因此，该系统采集的2种不同[8]管凤旭，王科俊．基于自动调光功能的手指静脉图像采集系类型图像，能够实时提供给手指静脉与指节折痕双模态生统[J]．电子技术应用，2010，36(10)：120-123．物特征识别系统进行双模态识别算法研究与应用。[9]王晨晖，管凤旭，宋新景，等．掌纹和三维手形的多模态图像参考文献：采集装置设计[J]．自动化技术与应用，2011(7)：76-79．[1]LuYinghua，FuYao，LiJinsong，eta1．Amulti—modalanthentica—作者简介：tionmethodbasedonhumanfaceandpalmprint[C]∥Future管凤旭(1973一)，男，黑龙江哈尔滨人，博士，副教授，主要研GenerationCommunicationandNetworking，2008：193-196．究方向为生物特征识别、计算机控制及应用等。)；200210150_200薰100—1050／1900避萋：曼—50。—1OO170-3一150／一-20016O05OlOO15O20025030035040005010O150200250300350400050100150200250300350400转台转角)转台转角)转台转角)图5静态误差测试结果Fig5Testresultsofstaticerror参考文献：与控制，2003，11(2)：144—146．[1]ZhuRong，ZhouZhaoying．Asmalllow—costhybridorientation[5]袁锁中．数字式无人机飞行控制系统研制[J]．计算qL~tit与systemanditserroranalysis[J]．IEEESensorsJournal，2009，控制，2003，11(1)：64-68．9(3)：223-230．[6]ZhuR，SunF，ZhouZY，eta1．Alinearfusionalgorithmforattitude[2]王立代，熊沈蜀，周兆英．基于MEMS压力传感器的微小型空determinationusinglowcostMEMS-basedsensors[J]．Measure一速计[J]．清华大学学报，2005，45(8)：1066-1068．ment，2007，40(3)：322-328．[3]WuHuaiyu，SunDang，ZhouZhaoying．Modelidentificationofa[7]付梦印，邓志红，张继伟．Kalman滤波理论及其在导航系统中smM1一scaleairvehicleforloiteringcontroldesign[c]∥Proceed．的应用[M]．北京：科学出版社，2003．ingsofthe2004IEEEInternationalConferenceonRobotics＆作者简介：Automation，2004：4035-4040．曹晓棠(1985一)，女，山西临汾人，硕士研究生，主要从事微系[4]刘歌群．小型无人机飞行控制器的硬件设计[J]．计算机测量统集成与微型飞行器测控技术研究。