基于MEMS的微型飞行器姿态测量系统.pdf

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1、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

2、：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—axism

3、agnetometer，anattitudemeasurementsystembasedonMEMSformicroairvehicleisdesigned．ThesystemusesC8051FMCUtocollec!datasofsensors，anddatasaresenttoupperPCbyserialcommunication，thenfourelementalgorithmisusedfordatafusionandattitudecalculation，thepitch，roll，headingangleisdisplayedontheinterfaceofupperPC．K

4、eywords：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

5、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

6、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，

7、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—