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

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(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)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(chǎng)的方位角，基于地球重力場(chǎng)的俯仰角和橫滾角。

1. 介紹：

傳統(tǒng)的姿態(tài)測(cè)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(duì)更小，成本相對(duì)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(cè)量中得到了廣泛的研究和應(yīng)用。

然而，傳統(tǒng)的姿態(tài)測(cè)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(cè)量系統(tǒng)無(wú)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(lái)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(wú)法接受的?？梢?，對(duì)于對(duì)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(cè)量系統(tǒng)來(lái)滿足其姿態(tài)測(cè)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(cè)量系統(tǒng)提供了可能，從而可以使得 對(duì)體積和成本敏感的系統(tǒng)具有姿態(tài)測(cè)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(cè)量系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，三軸 MEMS 加速度計(jì)用來(lái)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(guò)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(duì)于地磁北極的方位角。

2. 硬件描述：

本論文論述的姿態(tài)測(cè)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(chǎng)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(guò)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(lái)與PC 機(jī)通信和控制串口LCD 屏顯示測(cè)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(cè)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(guò)A/D 轉(zhuǎn)換的測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)ARM 核的處理后，被送到串口LCD 并通過(guò)RS232 接口送入PC 機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步 的分析。