基于安芯一號的六軸姿態(tài)控制板設計

　　一、項目設計背景及概述

　　在許多工程應用中，都需要測量載體與水平面的傾斜角度。對于導航定位系統(tǒng)來說，姿態(tài)信息更是一個重要參數(shù)。本系統(tǒng)主要目標是在動態(tài)情況下通過姿態(tài)融合得到精確的俯仰角和橫滾角。首先采用加速度傳感器測量傾斜角度，并對測量角進行數(shù)據(jù)預處理以減少誤差，其次加入陀螺儀進行姿態(tài)融合，主要方法為卡爾曼濾波，得到系統(tǒng)的橫滾角和俯仰角。該方法廣泛應用于工程中，技術成熟，姿態(tài)融合效果良好。

　　慣性測量單元在飛行器制造、傳感器技術領域都能見其身影，應用前景十分廣泛。一般的，一個IMU包含了三個單軸的加速度計和三個單軸的陀螺，加速度計檢測物體在載體坐標系統(tǒng)獨立三軸的加速度信號，而陀螺檢測載體相對于導航坐標系的角速度信號，測量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態(tài)。在導航中用著很重要的應用價值。

　　為了提高可靠性，還可以為每個軸配備更多的傳感器。一般而言IMU要安裝在被測物體的重心上。IMU大多用在需要進行運動控制的設備，如汽車和機器人上。也被用在需要用姿態(tài)進行精密位移推算的場合，如潛艇、飛機、導彈和航天器的慣性導航設備等。利用三軸加速度計，受外力加速度影響很大，在運動/振動等環(huán)境中，輸出方向角誤差較大。加速度測量的是重力方向，在無外力加速度的情況下，能準確輸出ROLL/PITCH兩軸姿態(tài)角度，并且此角度不會有累積誤差，在更長的時間尺度內(nèi)都是準確的。但是加速度傳感器測角度的缺點是加速度傳感器實際上是用MEMS技術檢測慣性力造成的微小形變，而慣性力與重力本質(zhì)是一樣的，所以加速度計就不會區(qū)分重力加速度與外力加速度，當系統(tǒng)在三維空間做變速運動時，它的輸出就不正確了。

　　二、項目設計原理

　　1、 原理概述

　　陀螺儀輸出角速度，是瞬時量，角速度在姿態(tài)平衡上是不能直接使用，需要角速度與時間積分計算角度，得到的角度變化量與初始角度相加，就得到目標角度，其中積分時間Dt越小，輸出角度越精確，但陀螺儀的原理決定了它的測量基準是自身，并沒有系統(tǒng)外的絕對參照物，加上Dt是不可能無限小，所以積分的累積誤差會隨著時間流逝迅速增加，最終導致輸出角度與實際不符，所以陀螺儀只能工作在相對較短的時間尺度內(nèi)。

　　所以在沒有其它參照物的基礎上，要得到較為真實的姿態(tài)角，就要利用加權算法揚長避短，結(jié)合兩者的優(yōu)點，擯棄其各自缺點，設計算法在短時間尺度內(nèi)增加陀螺儀的權值，在更長時間尺度內(nèi)增加加速度權值，這樣系統(tǒng)輸出角度就接近真實值了。

　　2、 硬件設計原理

　　2.1加速度計模塊

　　圖2.1為加速度傳感器模塊電路圖。加速度計選用Analog Device（亞德諾半導體）公司的ADXL345，該傳感器是一款三軸數(shù)字加速度傳感器，其感應精度可達3.9mg/LSB，傾角測量典型誤差小于1°，且感知加速度的最大范圍是 16g。具有超低功耗、采樣速率可調(diào)、測量模式可調(diào)等特點。在實際使用過程中，一般設置感應范圍為 2g，感應精度為3.9mg/LSB，這樣可以提高輸出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，滿足系統(tǒng)加速度范圍和精度要求。它可以在傾斜檢測應用中測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運動或者沖擊導致的動態(tài)加速度。

　　圖2.1 加速度計模塊原理圖

　　2.2陀螺儀模塊

　　陀螺儀采用InvenSense（應美盛）公司的ITG3205。圖2.2為陀螺儀模塊的原理圖設計。該芯片用于測量繞三軸轉(zhuǎn)動的角速度值，是一個數(shù)字輸出的將X、Y、Z三軸角速度傳感器整合在單一電路上的三軸陀螺儀。其特性在于運用了三個16位A/D轉(zhuǎn)換器來數(shù)字化陀螺儀輸出端，有程控的內(nèi)建低通濾波器帶寬，以及快速模式的IIC接口。除此之外，還有內(nèi)建溫度傳感器以及精準差僅為2%的內(nèi)建震蕩設計。

　　圖2.2 陀螺儀模塊原理圖

　　陀螺儀可以測量載體角速度，具有高動態(tài)特性，但是它是一個間接測量器件，它測量的是角度的導數(shù)（角速度），所以必須要將角速度測量值對時間積分才能得到角度。

　　3、 軟件設計原理

　　系統(tǒng)上電后完成一系列初始化步驟后便進入工作狀態(tài)。分別對三軸加速度計、三軸陀螺儀進行數(shù)據(jù)的采集與補償，通過加速度計與陀螺儀的姿態(tài)融合，得出載體在靜態(tài)與動態(tài)條件下都準確的俯仰角和橫滾角。系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，根據(jù)不同的功能采用不同的程序塊，可以簡化編程，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，同時，可以增加代碼的重用性，便于實現(xiàn)功能擴展。

　　三、項目設計框圖

　　1、硬件設計框圖

　　圖3.1 硬件設計框圖

　　2、軟件設計框圖

　　圖3.2 軟件設計流程圖

　　3、姿態(tài)融合算法框圖

　　圖3.3 卡爾曼濾波結(jié)構(gòu)框圖

　　四、測試結(jié)果

　　項目達到的關鍵硬件指標

　　4.1系統(tǒng)實物圖片

　　PCB正面圖：

　　PCB反面圖：

　　項目實物圖：

　　4.2姿態(tài)融合效果分析

　　系統(tǒng)采用卡爾曼濾波函數(shù)進行加速度計與陀螺儀的姿態(tài)融合。圖4.1所示為姿態(tài)融合前的系統(tǒng)水平時橫滾角輸出曲線圖，即僅由加速度計ADXL345計算得到的角度。該組實驗在動態(tài)條件下完成，即保持載體與水平面角度不變的前提下（在此測試橫滾角，并取角度值為0°），人為給系統(tǒng)施加外力作用，使系統(tǒng)受到外部加速度干擾，同時記錄數(shù)據(jù)繪制曲線。從圖中可以看出，在系統(tǒng)受到外力作用下，數(shù)據(jù)精確度大大降低。圖中最大誤差達到50°。

　　圖4.1 姿態(tài)融合前橫滾角輸出曲線圖

　　圖4.2所示為姿態(tài)融合后的系統(tǒng)水平時橫滾角輸出曲線圖。從圖中可以看出，即使系統(tǒng)受到外部加速度的干擾，仍能保持橫滾角在0°及0°附近很小的范圍內(nèi)波動。最大誤差僅有1°。姿態(tài)融合算法有效減小了動態(tài)條件下的系統(tǒng)誤差。

　　圖4.2 姿態(tài)融合后橫滾角輸出曲線圖

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