微型数据记录仪在MAV 姿态测量中应用研究

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1、中图分类号：TP368.1文献标识码：B投稿日期：2008-02-16基金项目：国家“863”高技术项目，“微型智能飞行机器人及其测控技术研究”，编号：2006AA04Z257项目申请人：朱荣蔡瑜微型数据记录仪在MAV姿态测量中应用研究MicrodatarecorderresearchinmeasuringMAVattitude（清华大学）蔡瑜王瑞朱荣周兆英CAIYUWANGRUIZHURONGZHOUZHAOYING摘要：根据微型飞行器(MAV)特点，提出了数据记录仪的设计要求，完成了适用于姿态测量的微型数据记录仪的集成化设计，实现了相关指标要求，并在工

2、程实践中得到了应用验证。关键词：微型飞行器；传感器；数据记录仪Abstract:DesigningrulesofdatarecorderisproposedaccordingtothecharacteristicofMAV.Therecordingattitudedevice,whichrealizedprescribingindexesbyintegrationdesign,hasbeentestedinpractice.Keywords:MAV,sensor,datarecorder引言微型飞行器(MicroAerialVehicles，简称MAV)因

3、其携带轻便、成本低、机动性和隐蔽性好等特点，在军民两用领域具有诱人的应用前景。近十年来，针对其在低空局部侦察、[1-2]空中拍摄、线路巡查等方面的应用研究取得了较大的进展。然而，MAV不是常规飞行器的简单缩小，其气动力、结构设计、动力配置和导航控制技术等皆有不同于常规飞行器的特点。尺寸的微型化给MAV的研制带来了许多难以克服的困难。这其中突出的问题之一是针对MAV的有效载荷能力差的特点，如何实现机载设备微型化设计。用于MAV姿态测量的多种传感器信号需要一种尽可能小的微型数据记录仪来实现对数据的记录和存储，便于对飞行姿态的评定。1、微型数据记录仪设计要求国际

4、上，一般认为MAV基本指标为：飞行器各向最大尺寸不超过15cm，质量10～100g，[3]最大航程1～10km，巡航速度约30～60km/h，续航时间为20～60min。除此之外，值得关注的是，同传统飞行器相比，MAV具有高动态特性，其空中一般振动频率在10Hz左右。针对以上这些特点，考虑到MAV实际搭载能力，提出了对微型数据记录仪集成化设计要求：第一，质量不超过5g，系统模块覆盖面不大于30mm×30mm；第二，对模拟信号进行12位AD采样，且采样频率不低于30Hz；第三，为完成姿态解算，模拟通道应为8个；第四，数据记录时间不低于2小时；第五，对外接口丰

5、富，既能独立和传感器模块结合使用，又能与微型自动驾驶仪配合使用。2、微型数据记录仪系统设计方案一般来讲，利用三轴微型加速度计、三轴微型陀螺、高度计和空速计等8个通道数据，通过离散Kalman滤波方法，即可较好地解算出MAV在俯仰和滚转方向的姿态角。按照要求，微型记录仪系统可围绕两个主要芯片（Flash和MCU）和三个电路模块（电源管理模块、处理器模块和存储器模块）来设计完成对这些传感器信号的存储。Flash可分为两种规格：NAND和NOR。NAND规格晶片容量较大，虽然读取速度相对较慢，但写入与清除资料的速度远快于NOR规格，适合于选做系统数据存储器。本设

6、计中采用三星公司的配置为32M×8bit的NANDFlash作为存储器。它作为一种非易失性存储器，功耗低、容量大、擦写速度快，可整片或分扇区在系统内写、擦除数据，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作。对于MCU，在设计时，考虑到机载传感器电路模块的接入，选择CygnalC8051F系列的[4]低功耗单片机。其内置8通道输入ADC和32个通用I/O口，4个通用16位定时器和功能2全面的IC/SMBus、SPI、UART串行总线，并且工作电压典型值为3V，全部I/O、RST、JTAG引脚均允许5V电压输入，基本符合设计要求。如图1，为微型数据记录仪结构示意图

7、。图1微型数据记录仪结构示意图独立电源或自动驾驶仪提供的电源通过记录仪自带电源管理模块，转换成合适的电压驱动MCU和Flash。在记录仪写入模式下，记录仪首先通过内置的块擦除子程序快速完成Flash擦除工作；之后，传感器信号经过自身电路放大滤波后，经MCU内部ADC转换模块转换成数字信号，以帧为单位存储在Flash内。需要说明的是，数据在Flash内写入过程中，位置是按同Block中逐页进行的。数据读出过程与写入过程相反。由于微小型飞行器振荡频率一般在10Hz左右，根据采样定律，采样频率应在20Hz以上，适当考虑冗余量，可假设采样频率为f=50Hz。8路模

8、拟信号接入，每帧为16字节，就可从理论上计算出Flash存储的时间