基于ARM的微型航姿參考系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

摘要：針對微小型無人飛行器的控制需要精度高、體積小、功耗低的姿態(tài)信息模塊，介紹了一種基于MEMS器件與ARM控制器的微型航向姿態(tài)參考系統(tǒng)(AHRS)，包括三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁力計和氣壓高度計，采用四元數(shù)法進行姿態(tài)解算并給出了磁航向校正的方法，采用LabWindows/CVI開發(fā)了上位機界面，能夠完成對其輸出信號進行實時顯示，實際測試中達到較為滿意的效果。

航向姿態(tài)參考系統(tǒng)(Attitude and Heading Reference System，AHRS)是一套由慣性測量元件(IMU)和地磁傳感器組成的三自由度姿態(tài)測量單元，能夠提供航向、橫滾和側(cè)翻等姿態(tài)信息，可實現(xiàn)動態(tài)環(huán)境下載體實時姿態(tài)航向控制。它是微小型飛行器能夠按預定軌跡進行自主巡航的基礎環(huán)節(jié)，也直接影響著微小型飛行器執(zhí)行任務的效果，尤其是在起飛、降落階段，航姿系統(tǒng)工作不正常，會對飛行安全造成重大威脅。由于微小型飛行器系統(tǒng)對體積、重量、功耗、成本的特殊要求，傳統(tǒng)的大中型飛行器上的龐大、昂貴的陀螺航向儀、無線電航向儀和磁力計等航向測量設備將不再適用，相應的航向控制策略也無法實現(xiàn)，因而需要研制基于低成本、低功耗、微小器件的航姿系統(tǒng)。

與慣性測量單元(IMU)相比，航姿參考系統(tǒng)(AHRS)包含了嵌入式的姿態(tài)數(shù)據(jù)解算單元與航向信息，主控制器只需通過串口讀取所需數(shù)據(jù)，這樣就大大減輕了主控制器的計算量及任務量。本文提出了一種低成本的、實用的、基于四元數(shù)的姿態(tài)獲取方法，最后通過試驗對本設計的可靠性進行了驗證。

1 總體設計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，利用加速度計、陀螺儀測量微小型飛行器的空間三軸加速度、角速度，磁力傳感器可以測量因姿態(tài)變化而造成的磁場在其各測量軸上強度的變化，從而獲得偏航角，高度計感知大氣壓的變化而得到相對高度。所有數(shù)據(jù)由主控芯片通過I2C總線采集。

對于數(shù)據(jù)處理部分，本文簡單介紹了姿態(tài)解算原理與方法，從四元數(shù)、方向余弦矩陣及歐拉角的關系著手，并給出了四元數(shù)運動學微分方程及其解法，從理論上闡明了該方案的可行性。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)主控制芯片選用超小型封裝、Cortex—M3內(nèi)核的STM32F103T8，具有64KB Flash，20KB Rom，7通道DMA，7個定時器，可倍頻至72 MHz，基本滿足姿態(tài)解算所需的處理能力。各傳感器的數(shù)據(jù)中斷引腳與ARM控制器的IO相連，通過I2C總線，主控芯片可以在第一時間讀取各個傳感器完成AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，快速響應姿態(tài)變化。同時引出了SWD調(diào)試接口，該接口只需4條線就可以對STM32F內(nèi)核進行仿真調(diào)試，相對于常用的JTAG接口節(jié)節(jié)省了不少空間。

MPU—6050為全球首例整合性6軸運動處理組件，相對于多組件方案，有效避免了組合陀螺儀與加速器時之軸間安裝誤差的問題，節(jié)省了安裝空間。MPU一6050的角速率量程為±250、±500、±1 000與±2 000°/s，可準確跟隨快、慢動作。加速度測量范圍為±2 g、±4 g、±8 g與±16 g。內(nèi)部自帶16位的數(shù)字溫度傳感器，方便對傳感器進行溫度補償。高達400 kHz的I2C總線可保證系統(tǒng)測量的實時性。

HMC5883L包含最先進的高分辨率HMC118X系列磁阻傳感器，并附帶霍尼韋爾專利的集成電路，包括放大器、自動消磁驅(qū)動器、偏差校準，使輸出精度控制在1°～2°。12位I2C總線數(shù)字量輸，測量范圍為±1～8 Gs，滿足地磁場的測量要。

BMP180是一款高精度、超低功耗的壓力傳感器，壓力范圍300～1 100 hPa(海拔9 000～500 m)，低功耗模式下分辨率為0.06 hPa(0.5 m)，高線性模式下，最小分辨率為0.03 hPa(0.25 m)。

系統(tǒng)實物圖如圖2所示，外形尺寸為39*28 mm，具有微型化的特點。

3 姿態(tài)解算原理與方法

常用的姿態(tài)解算方法有歐拉角法、方向余弦法、四元數(shù)法等。由于歐拉角法存在奇點，四元數(shù)取代方向余弦陣來描述姿態(tài)變化具有計算量小、精度高等優(yōu)點，而且它既代表一個轉(zhuǎn)動，又可作為變換算子，因而被廣泛應用于陀螺實用理論、捷聯(lián)式慣性導航、機器人技術、多體系統(tǒng)力學及人造衛(wèi)星姿態(tài)角控制領域中。

假設某一坐標系相對另一固定坐標系的轉(zhuǎn)動可看作是該坐標系圍繞某一轉(zhuǎn)軸進行了旋轉(zhuǎn)，用u表示之一轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)了θ角，則轉(zhuǎn)動后的結(jié)果可用用四元數(shù)描述：

3.1 四元數(shù)、方向余弦矩陣及歐拉角的關系

四元數(shù)將三維空間和四維空間聯(lián)系起來，從而可以用四元數(shù)理論研究剛體的定點旋轉(zhuǎn)問題。因此，把機體坐標系和導航坐標系的三維矢量擴展成四維，即

在進行坐標的旋轉(zhuǎn)變換時，原坐標系通常是相對固定坐標系做了多次旋轉(zhuǎn)，可以將所有單次旋轉(zhuǎn)形成的結(jié)果看作是首次與末次旋轉(zhuǎn)間的一個合成轉(zhuǎn)動形成的結(jié)果，用合成四元數(shù)表示這樣的旋轉(zhuǎn)變換關系根據(jù)航向角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)動順序，由導航坐標系到機體坐標系的轉(zhuǎn)動四元數(shù)為

3.2 四元數(shù)運動學微分方程及其解法

與姿態(tài)矩陣對應的四元數(shù)具有如下的微分方程關系：

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