荊 雷，陳志保，常丹華，朱紹圖

(燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北秦皇島066004)

0 引言

姿態(tài)分析儀是現(xiàn)代社會中的一種非常重要的測試工具，人們通過它可以更加便捷地確定物體的航向和姿態(tài)信息。傳統(tǒng)的姿態(tài)測量系統(tǒng)主要由高精度的陀螺儀和加速度傳感器組成，需要外接信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、成本較高，無法實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化、便攜化和商品化。

本文設(shè)計(jì)的姿態(tài)測量系統(tǒng)是由基于數(shù)字輸出的6維動作傳感器而研制，該傳感器集三軸加速度傳感器和三軸地磁傳感器于一體，且內(nèi)部包含A/D轉(zhuǎn)換電路、放大信號調(diào)理電路和補(bǔ)償電路。與傳統(tǒng)的加速度傳感器與地磁傳感器在外部結(jié)合的捷聯(lián)式設(shè)計(jì)相比，該系統(tǒng)提高了抗外界干擾的能力、消除了2只傳感器之間的坐標(biāo)誤差，并且能夠全方位準(zhǔn)確地測量姿態(tài)角的角度，具有較高的精度［1］。由于6維動作傳感器是數(shù)字輸出，支持I2C協(xié)議，因此，其抗干擾能力優(yōu)于模擬輸出的傳感器，同時(shí)便于同微處理器進(jìn)行通信。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的姿態(tài)測試系統(tǒng)主要由兩部分組成，即數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)將傳感器輸出的6維數(shù)字信號經(jīng)微處理器發(fā)射出去。數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收發(fā)射端發(fā)射來的數(shù)據(jù)。接收端接收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到PC機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Overall structure block diagram of system

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 傳感器模塊

一般捷聯(lián)式姿態(tài)測試系統(tǒng)采用的是雙軸加速度傳感器和三軸地磁傳感器，需要外接A/D轉(zhuǎn)換器、信號調(diào)理等電路，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，存在外界的干擾信號，精確度難以保證［2］。而本系統(tǒng)采用的是AMI 602動作傳感器進(jìn)行測量，A/D轉(zhuǎn)換在芯片內(nèi)部完成，也不需要對2只傳感器的坐標(biāo)系進(jìn)行校正，同時(shí)解決了5維傳感器對俯仰角、橫滾角測量角度很難大于70°的局限性，如圖2所示。

圖2 6維傳感器與5維傳感器角度測量對比Fig 2 Comparison of angle measurement of 6D sensor and 5D sensor

AMI 602傳感器是由日本愛知制鋼公司2008年7月推出的一種具有數(shù)字輸出的動作傳感器。AMI 602動作傳感器主要包含三軸加速度傳感器與三軸地磁傳感器以及控制器IC?？刂破鱅C包含地磁信號檢測電路、能夠補(bǔ)償每軸偏移和設(shè)置靈敏度的放大電路、溫度傳感器、12位ADC、I2C串行輸出電路、恒壓電路及控制它們的8032微處理器［3］。內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 AMI602傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig 3 Inner structure block diagram of AMI602 sensor

2.2 微處理器模塊

本系統(tǒng)選擇由德州儀器推出的一種專為低功耗和低壓無線應(yīng)用而設(shè)計(jì)的CC1110單片機(jī)作為微處理器。芯片內(nèi)部包含了一個(gè)符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051MCU和一個(gè)無線收發(fā)芯片CC1100。采用32.768 kHz低速晶振和26 MHz高速晶振，方便系統(tǒng)根據(jù)不同需要進(jìn)行靈活設(shè)置。每兆赫茲下微處理器的執(zhí)行速度是普通8051內(nèi)核的8倍。8051MCU自帶4kB RAM，具有一個(gè)16位的定時(shí)器，支持定時(shí)、計(jì)數(shù)、輸入捕獲等功能，具有3個(gè)8位的定時(shí)器，一個(gè)看門狗定時(shí)器。具有4種工作模式，PM0～PM3，其中，PM0為正常工作模式，PM1～PM3為低功耗模式。實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需要，選擇不同的工作模式來降低系統(tǒng)功耗［4］。

3 姿態(tài)角的求解

3.1 坐標(biāo)原點(diǎn)的標(biāo)定

直接從傳感器所測得的數(shù)據(jù)(x'，y'，z')和真實(shí)數(shù)據(jù)(x，y，z)的坐標(biāo)原點(diǎn)存在著偏移量OO'，會對后續(xù)的姿態(tài)角的計(jì)算帶來影響，如圖4所示，所以，首先必須對CC1110傳輸來的各軸數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)零處理。由于重力加速度和磁場強(qiáng)度在垂直方向上的大小都是常量，所以，將三軸分別垂直向上和垂直向下測得的重力加速度和磁場強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行平分，使其各軸在垂直向上和向下時(shí)的數(shù)據(jù)值大小相等，同時(shí)在數(shù)據(jù)中加一位符號位，規(guī)定任意軸指向上方為正，指向下方為負(fù)，最后將傳感器測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖4 坐標(biāo)原點(diǎn)的偏移量補(bǔ)償Fig 4 Offset compensation of coordinate origin point

3.2 姿態(tài)角的推導(dǎo)

由圖5可推證有下式成立

俯仰角、橫滾角、磁偏航角分別為

圖5 載體姿態(tài)與地理坐標(biāo)系之間的關(guān)系Fig 5 Relation between carrier attitude and geo-coordinate system

載體在空間中的姿態(tài)是相對于地理坐標(biāo)系的運(yùn)動來表示的，運(yùn)動的角度稱為載體的姿態(tài)角，包括俯仰角、橫滾角和偏航角，如圖5。本文通過重力加速度G和磁場強(qiáng)度M，運(yùn)用“左手法則”確定3維地理坐標(biāo)系O'e'xe'ye'z，地理坐標(biāo)系是系統(tǒng)的參考坐標(biāo)系，載體坐標(biāo)系設(shè)為Oexeyez，式(1)表示傳感器測得的6維數(shù)據(jù)在地理坐標(biāo)系下所對應(yīng)的值，式(2)為俯仰角θ、橫滾角φ、磁偏航角ηM的計(jì)算公式［5］。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果測試與分析

為了能夠更準(zhǔn)確地顯示出測量的真實(shí)值，測量實(shí)驗(yàn)在水平臺面上進(jìn)行，用角度測量儀對角度進(jìn)行標(biāo)定，測量結(jié)果以文本方式保存起來，每個(gè)姿態(tài)角隨機(jī)各選取了9個(gè)度數(shù)進(jìn)行測量，每個(gè)角度測量了5次，結(jié)果如表1～表3所示。

由上述的測量數(shù)據(jù)可以看出:在 0°，90°，180°，270°這幾個(gè)特殊度數(shù)左右存在數(shù)據(jù)符號的正負(fù)變換，所以，必須做模糊處理以保證角度的正確性。測量結(jié)果表明:該系統(tǒng)具有較高的分辨率，精度在±0.5°以內(nèi)，可用于一般民用的姿態(tài)測試系統(tǒng)的應(yīng)用。

表1 俯仰角標(biāo)準(zhǔn)值與測量值對比Tab 1 Comparison of standard and measurement value of pitch angle

表2 橫滾角標(biāo)準(zhǔn)值與測量值對比Tab 2 Comparison of standard and measurement value of roll angle

表3 偏航角標(biāo)準(zhǔn)值與測量值對比Tab 3 Comparison of standard and measurement value of heading angle

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了一種基于AMI 602的6維動作傳感器的空間姿態(tài)的測量系統(tǒng)。采用AMI 602傳感器能大大縮小系統(tǒng)的體積，降低系統(tǒng)功耗，提高了方位精度，同時(shí)使系統(tǒng)的可靠性得到了顯著的提高。該系統(tǒng)具有很好的工程實(shí)用價(jià)值，適合在各種導(dǎo)航、游戲設(shè)備、嵌入式裝置及3D鼠標(biāo)等上使用。由于在運(yùn)動過程中有動態(tài)加速度的存在，會給測量精度帶來一定的影響，為了解決這一問題，可以結(jié)合其他設(shè)備提供的動態(tài)加速度信息進(jìn)行校正［8］。

［1］鮑松堂.磁阻傳感器及其在飛行體姿態(tài)測試中的應(yīng)用［J］.五邑大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，24(2):52-55.

［2］馬建倉，胡士峰，邵婷婷.三軸磁阻電子羅盤設(shè)計(jì)［J］.火力與指揮控制，2009，34(3):142-144.

［3］AMI602 Datasheet.Aichi Micro Intelligent Corporation［EB/OL］.［2010—11—13］http:∥www.aichi-mi.com.

［4］CC1110 Datasheet.Texas Instruments［EB/OL］.［2010—11—13］http:www.ti.com.

［5］李懷昆.電子羅盤中磁場測量系與重力場測量系之間關(guān)系的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2007.

［6］王解先，李浩軍.磁偏角與磁傾角的公式推導(dǎo)與運(yùn)算［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2009，29(3):88-94.