基于MEMS 和MR 傳感器的嵌入式系統(tǒng)姿態(tài)測量

摘要: 本文介紹了一種基于新型MEMS加速度計和MR(磁阻)傳感器的嵌入式姿態(tài)測量系統(tǒng)。通過本系統(tǒng)，可以獲得載體的三個姿態(tài)參數(shù)：基于地球磁場的方位角，基于地球重力場的俯仰角和橫滾角。

1. 介紹：

傳統(tǒng)的姿態(tài)測量系統(tǒng)采用捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)(SINS)，相比平臺式慣導系統(tǒng)而言，其具有 體積相對更小，成本相對更低，易于安裝和維護并且可靠性更高的有點，因此，捷聯(lián)慣導系 統(tǒng)在飛行器導航和姿態(tài)測量中得到了廣泛的研究和應(yīng)用。

然而，傳統(tǒng)的姿態(tài)測量系統(tǒng)包括捷聯(lián)式慣導普遍具有體積大，重量大，復雜程度高等特 點，使得傳統(tǒng)的姿態(tài)測量系統(tǒng)無法應(yīng)用于日常應(yīng)用。同時，傳統(tǒng)的捷聯(lián)慣導系統(tǒng)一般需要一 個尋北系統(tǒng)的輔助來獲得載體的方位角，但是傳統(tǒng)的尋北系統(tǒng)多為基于陀螺的系統(tǒng)，其體積 和復雜度也是日常應(yīng)用所無法接受的?？梢?，對于對體積具有嚴格限制的嵌入式系統(tǒng)而言， 需要研制一種小型的姿態(tài)測量系統(tǒng)來滿足其姿態(tài)測量的要求。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)測量系統(tǒng)提供了可能，從而可以使得 對體積和成本敏感的系統(tǒng)具有姿態(tài)測量的能力。

本文論述了由MEMS 加速度計和MR 傳感器組成的姿態(tài)測量系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，三軸 MEMS 加速度計用來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于地磁北極的方位角。

2. 硬件描述：

本論文論述的姿態(tài)測量系統(tǒng)主要由三軸MEMS 加速度計，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。 其精度可以達到400ugauss，量程為±2gauss，靈敏度為1V/gauss。磁阻傳感器在經(jīng)歷了強磁 場之后會被磁化而引起磁滯，從而引起輸出信號的失真，Honeywell 的“set/reset”功能可以 消除這種磁滯而使傳感器恢復到正常的工作狀態(tài)。

2.2 三軸MEMS 加速度計： 本系統(tǒng)中的加速度計選用了 Freescale 的MMA7260Q 單片三軸加速度計。MMA7260Q 是一個低成本的電容式微機械加速度計，其內(nèi)部具有信號調(diào)整、單極低通濾波器、溫度補償 等功能，其量程可以通過編程選擇1.5g/2g/4g/6g 之一。其主要特點如下：

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USART 接口，可以分別用 來與PC 機通信和控制串口LCD 屏顯示測量結(jié)果。其具有一個 10 位的SAR 逐次逼近式A/D 轉(zhuǎn)換器，并具有8 選1 模擬復用器。A/D 轉(zhuǎn)換器的采樣率可以達到384ksps。At91sam7s64 的ARM 內(nèi)核的最高運行頻率可以達到55MHz，0.9Mips/MHz，以上的特點使At91sam7s64 非常適合于低成本體積敏感的姿態(tài)測量系統(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，同時減少了誤差源，提高了精度。經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換的測量數(shù)據(jù)經(jīng)過ARM 核的處理后，被送到串口LCD 并通過RS232 接口送入PC 機進行進一步 的分析。