CRSl0陀螺儀及其在角速率與轉(zhuǎn)角測(cè)量中的應(yīng)用

摘要：針對(duì)在轉(zhuǎn)向控制過(guò)程中，需要得到運(yùn)動(dòng)對(duì)象運(yùn)動(dòng)的角速率與轉(zhuǎn)角，設(shè)計(jì)了基于LMS8962 ARM微處理器與CRSl0高精度數(shù)字式陀螺儀的角速率與轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)，描述了CRSl0的功能特點(diǎn)及使用方法，闡述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理，并給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)流程。最后將其與Crossbow Technology公司的高精度IMUAHRS500GA-226航向參考系統(tǒng)測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：角速率測(cè)量誤差平均為0.55 0(°)／s，轉(zhuǎn)角測(cè)量誤差還比較大。平均誤差為2．5°。測(cè)量精度有待進(jìn)一步提高。
關(guān)鍵詞：CRSl0；角速度測(cè)量；轉(zhuǎn)角測(cè)量；LMS8962

微機(jī)電傳感器(MEMS)慣性傳感器在近幾年來(lái)高速發(fā)展并得到了廣泛的應(yīng)用。微慣性傳感器作為一種重要的MEMS，由微型陀螺儀、微型加速度計(jì)、專(zhuān)用集成電路(ASIC)、嵌入式微處理器及相應(yīng)的軟件組成，輸出可以包含角速度、加速度、姿態(tài)等多種信息，并且其體積小、集成度高、使用方便，在軍民等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。
CRSl0是Silicon SENSING公司的一款高精度的MEMS單軸陀螺儀，它是數(shù)字式輸出，輸出傳感器運(yùn)動(dòng)過(guò)程的角速度和傳感器工作的環(huán)境溫度。
在轉(zhuǎn)角測(cè)量方面，傳統(tǒng)的方法是使用角度傳感器，測(cè)量起始時(shí)間的角度值，然后相比較得到轉(zhuǎn)過(guò)的角度。在此，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，應(yīng)用CRSl0陀螺儀，設(shè)計(jì)了一個(gè)角速度和轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)配置有數(shù)據(jù)輸出接口和液晶顯示界面。

1 CRS10功能介紹及使用
CRSl0是一款高精度的數(shù)字角速率陀螺儀，集成度高，較寬的工作溫度(-40～80℃)，高帶寬和寬泛的頻率范圍，極低的角速率隨機(jī)漂移，標(biāo)準(zhǔn)5 V電壓供電，SPI數(shù)據(jù)輸出和模擬端口輸出2種輸出方式滿(mǎn)足各種應(yīng)用不同需求。在CRSl0的默認(rèn)配置是為75 Hz帶寬，±375(°)／s角速率測(cè)量訪(fǎng)問(wèn)。用戶(hù)可根據(jù)需要，設(shè)置其角速率測(cè)量范圍和帶寬。例如可設(shè)置±75(°)／s的測(cè)量范圍，也可設(shè)置帶寬5、10、25、40、50、60和100 Hz。
CRSl0采用23 mmxl7 mmxl0 mm封裝。無(wú)論是垂直或可用水平支架可表面安裝在PCB上。其體積小，集成度高，易于安裝?？蓮V泛應(yīng)用于汽車(chē)偏航率測(cè)定、制導(dǎo)和控制、平臺(tái)穩(wěn)定、圖像穩(wěn)定、慣性測(cè)量裝置、機(jī)器人和導(dǎo)航等領(lǐng)域。
1．1 CRSl0功能介紹
圖1(a)和圖l(b)分別是CRSl0的實(shí)物圖和功能框圖。由圖l(b)可知，在CRSl0中，MEMS陀螺儀先感知外界信號(hào)，并將信號(hào)輸出給數(shù)據(jù)采集專(zhuān)用集成電路，數(shù)據(jù)采集電路將處理后的信號(hào)輸出給微控制器。微控制器將得到的數(shù)據(jù)結(jié)果存入輸出寄存器。通過(guò)SPI總線(xiàn)，外部SPI主控器
件向CRSl0發(fā)送控制指令或者讀取。CRSl0內(nèi)部設(shè)置有控制寄存器，寄存器都有默認(rèn)的值，通過(guò)對(duì)控制寄存器的修改寫(xiě)操作，可以改變角速率測(cè)量范圍頻率和輸出帶寬等方面的控制效果。

CRSl0測(cè)量的是平行于PCB平面的角速率。CLK_N，SPI_IN，SPI_OUT和引腳是傳感器的SPI接口，引腳是傳感器的復(fù)位引腳。A-NL_OUT是角速率的模擬輸出端口。
CRSl0的數(shù)字輸出部分還包含其工作環(huán)境的溫度值。假如在無(wú)償條件下，陀螺儀性能不佳，那么可通過(guò)使用這個(gè)溫度進(jìn)行建模和補(bǔ)償。