小型飞行器mems姿态测量系统

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1、万方数据第30卷第6期振动、测试与诊断v。1．30N。．62010年12月JournalofVibration，Measurement＆Diagnosis【)e。·2010小型飞行器MEMS姿态测量系统张丽杰，常佶(内蒙古工业大学信息工程学院呼和浩特，010051)摘要针对目前可获得的微机电系统(microelectromechanicalsystem，简称MEMS)惯性测量元件，提出一种用于小型飞行器的姿态测量系统实现方案，采用三轴加速度计和单轴速率陀螺构建系统，可满足飞行器加速度小于69、角速度小于士300(。)

2、／s的姿态测量需求。根据所选MEMS惯性传感器的特点，给出传感器的测试方案和测试结果，利用加速度计测量信息直接修正方向余弦矩阵来抑制姿态角的误差积累，并进行姿态测量试验。试验结果表明：系统以100Hz的频率更新姿态测量值，在满足姿态矩阵修正阈值的条件下，姿态测量误差小于1(。)。关键词MEMS惯性传感器小型飞行器姿态测量中图分类号V241．62引言小型无人飞行器具有成本低、体积小、功耗低、便于携带等优点，在军事侦察、目标搜索、灾害监测等领域具有广阔的应用前景。姿态测量系统可实时提供运载体的姿态信息，姿态测量信息是小型

3、飞行器自主飞行的前提条件。随着微纳米技术的迅速发展，采用MEMS技术制造的微型陀螺和微型加速度计等惯性测量元件也得到了快速发展。尽管当前MEMS惯性器件的测量精度还远不能达到惯性级水平，但它在体积、重量、功耗、成本等方面的优势使其在小型飞行器惯性导航中的应用研究成为近年来被广泛关注的问题。SahawnehI。[13提出一种采用ADX202EB和ADXRSl50EB的MEMS惯性测量单元实现方案，可满足飞行器加速度小于29、角速度小于-4-150o)／s的姿态测量需求，但还未将其用于姿态计算。ZhuRongE22提出一

4、种采用ADX202和EVN一05—03S的惯性导航系统方案，通过周期修正四元数抑制姿态解算的误差积累，但仅能满足角速率小于-4-60(。)／s的测量需求。李容冰[31提出一种采用DSP微处理器和ADI公司的惯性传感器的姿态确定系统实现方案，着重研究了惯性传感器零偏温度补偿、系统安装误差标定与补偿和姿态组合算法。本文针对姿态测量系统构成、MEMS惯性传感器的选择、参数测试及姿态计算等几方面进行研究，提出了一种用于小型飞行器的捷联姿态测量系统的收稿13期：20lO一04一lO；修改稿收到13期：20lO一08—22实现方

5、案，并用试验验证该方案的可行性。1系统的组成和坐标系的定义姿态测量系统的硬件结构如图1所示，包括由微陀螺和微加速度计组成的信息获取单元和微处理器组成的数据采集和处理单元，前者完成系统旋转角速度和加速度的测量，后者完成测量信息采集、A／D转换、滤波、姿态计算和计算结果的输出，SPI接口与自驾仪通信，提供运载体的姿态信息。单轴陀螺ADXR$610壁MMA7260—群L_—一I嵌入式微l＼厂——1瞬蕊卜lsTM媲32F器103cB陛单轴陀螺ADXR$610图l姿态测量系统硬件结构图针对目前可获得的MEMS惯性测量元件，本文

6、以测量范围广、功耗低、体积小、灵敏度高为宗旨选择以下器件：测量角速度的单轴陀螺ADXRS610(士300(。)Is)；测量加速度的三轴加速度计MMA7260(±1．59，±29，±49，±69共4档)；嵌入式微处理器STM32F103CB(32位内核)。系统采用3片ADXRS610和1片MMA7260实现6个自由度的惯万方数据第6期张丽杰，等：小型飞行器MEMS姿态测量系统699性测量组合，按敏感轴相互正交的方式贴装在电路板上。忽略姿态测量系统的安装误差，机体坐标系和地理坐标系定义如图2所示。机体坐标系O一-,17。

7、ybz。是由惯性传感器敏感轴定义的坐标系。加速度计可测得系统在{勘，Yb，≈)方向的加速度值，3个正交安装的陀螺可测得绕加速度计敏感轴的角速度{山，，q，吐}。地理坐标系O—z。Y。2。中，z轴指北，Y轴指西，2轴指天，机体的俯仰角、滚转角、航向角分别为口，≯和妒。图2坐标系定义2微惯性传感器的参数测试传感器的测试包括两个基本步骤：首先，将姿态测量系统固定安装在转台的水平台面上，系统通电使转台动作，转台状态稳定后，将已知的运动状态或位置作为输入，以5kHz的采样速率连续采集2000个测量数据，记录数据并对其进行均值滤

8、波；其次，根据传感器的数学模型，采用最／1、--．乘法和系统不同输入下的滤波结果对数学模型进行参数估计，分析估计结果，从而确定传感器的各项参数和测试方法的有效性。2．1微加速度计的参数测试加速度计的静态数学模型为y=Ko+Klnf+K2n；+K3niao(1)其中：y为加速度计输出；K。为零位输出；K。为标度因子；K。为二阶非线性系数；K。为交