基于MEMS 和MR 傳感器的嵌入式系統(tǒng)姿態(tài)測量
3. 姿態(tài)參數(shù)的獲得
在本系統(tǒng)中,三軸加速度計(jì)和三軸 MR 傳感器都以以下的方式安裝于電路板上:它們 的X 軸平行于系統(tǒng)的橫軸指向右,Y 軸平行于系統(tǒng)的縱軸指向前,X、Y、Z 軸定義為右手 坐標(biāo)系統(tǒng),如圖3 -1 所示。
3.1 俯仰角與橫滾角的獲得:
為了獲得系統(tǒng)基于重力向量的俯仰角θ 和橫滾角φ,需要使用加速度計(jì)的三個(gè)輸出:Ax, Ay, Az 。俯仰角和橫滾角可以通過以下公式(1)和公式(2)計(jì)算得到。對于微控制器,函數(shù) 中的arctan(x) 需要通過以下公式(3)的泰勒展開后才能計(jì)算得到。
3.2 方位角的獲得:
為了獲得系統(tǒng)相對于當(dāng)?shù)氐卮畔蛄康姆轿唤?,需要使?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/MR">MR 傳感器的三個(gè)輸出Mx, My, Mz 。當(dāng)系統(tǒng)置于水平狀態(tài)時(shí)(俯仰角和橫滾角都為0)時(shí),方位角ψ 可以由公式(4)直 接給出,但是在大多數(shù)情況下,系統(tǒng)并不是工作在水平狀態(tài),此時(shí)地磁場的豎直分量將會(huì)影 響Mx 和My 的值,因此不能直接由公式(4)獲得相對于地磁向量的方位角。為了在所有 情況下都能獲得正確的方位角,必須將俯仰角和橫滾角考慮在內(nèi),即必須通過以俯仰角和橫 滾角為參數(shù)的坐標(biāo)變換,將測得的(Mx, My, Mz)向量變換為與載體坐標(biāo)系有相同方位角的 水平坐標(biāo)系下的向量(M’x , M’y, M’z),其變換矩陣如公式(5)。
至此,系統(tǒng)的3 個(gè)姿態(tài)參數(shù)全部由公式(1)(2)(7)給出。
4. 誤差分析:
本文論述的姿態(tài)測量系統(tǒng)主要由 MEMS 加速度計(jì)和MR 傳感器組成。由于現(xiàn)有MRMS 技術(shù)的限制,其精度和傳統(tǒng)的加速度計(jì)還有一定的差距,這將給所得到的俯仰角和橫滾角帶 來更大的誤差。MR 傳感器是對磁場敏感的器件,當(dāng)其被放置在鐵磁環(huán)境中的時(shí)候,地球的 磁場將受到附近鐵磁環(huán)境的扭曲,這將導(dǎo)致方位角的誤差。然而這種由于附近鐵磁物質(zhì)的影 響而引入的誤差是可以補(bǔ)償?shù)摹?p>5. 結(jié)論:
使用MEMS加速度計(jì)和MR傳感器構(gòu)成的姿態(tài)測量系統(tǒng)有效的降低了整個(gè)系統(tǒng)的體積、 成本以及功耗,使得嵌入式系統(tǒng)也可以引入姿態(tài)測量的功能。本文論述的姿態(tài)測量系統(tǒng)非常 適用于汽車導(dǎo)航,機(jī)器人姿態(tài)測量等領(lǐng)域。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于使用MEMS 和MR 元件構(gòu)造 了應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中的姿態(tài)測量系統(tǒng),并詳細(xì)給出了各姿態(tài)參數(shù)的計(jì)算方法。
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