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(huì)中的一種非常重要的測(cè)試工具，人們通過(guò)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(cè)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(hào)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(wú)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(cè)量系統(tǒng)是由基于數(shù)字輸出的6維動(dòng)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(hào)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(cè)量姿態(tài)角的角度，具有較高的精度［1］。由于6維動(dòng)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(cè)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(hào)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(lái)的數(shù)據(jù)。接收端接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)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(cè)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(hào)調(diào)理等電路，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，存在外界的干擾信號(hào)，精確度難以保證［2］。而本系統(tǒng)采用的是AMI 602動(dòng)作傳感器進(jìn)行測(cè)量，A/D轉(zhuǎn)換在芯片內(nèi)部完成，也不需要對(duì)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(duì)俯仰角、橫滾角測(cè)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(cè)量對(duì)比Fig 2 Comparison of angle measurement of 6D sensor and 5D sensor

AMI 602傳感器是由日本愛(ài)知制鋼公司2008年7月推出的一種具有數(shù)字輸出的動(dòng)作傳感器。AMI 602動(dòng)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(hào)檢測(cè)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(zhuān)為低功耗和低壓無(wú)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(wú)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(mén)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(lái)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(cè)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(huì)對(duì)后續(xù)的姿態(tài)角的計(jì)算帶來(lái)影響，如圖4所示，所以，首先必須對(duì)CC1110傳輸來(lái)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(chǎng)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(cè)得的重力加速度和磁場(chǎng)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(hào)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(cè)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(duì)于地理坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)來(lái)表示的，運(yùn)動(dòng)的角度稱(chēng)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(guò)重力加速度G和磁場(chǎng)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(cè)得的6維數(shù)據(jù)在地理坐標(biāo)系下所對(duì)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(cè)試與分析

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

由上述的測(cè)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(hào)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(cè)量結(jié)果表明:該系統(tǒng)具有較高的分辨率，精度在±0.5°以?xún)?nèi)，可用于一般民用的姿態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用。

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

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

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

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了一種基于AMI 602的6維動(dòng)作傳感器的空間姿態(tài)的測(cè)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(dòng)過(guò)程中有動(dòng)態(tài)加速度的存在，會(huì)給測(cè)量精度帶來(lái)一定的影響，為了解決這一問(wèn)題，可以結(jié)合其他設(shè)備提供的動(dòng)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(cè)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(cāng)，胡士峰，邵婷婷.三軸磁阻電子羅盤(pán)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(pán)中磁場(chǎng)測(cè)量系與重力場(chǎng)測(cè)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(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2009，29(3):88-94.