孫春虎，陳海波，方愿捷

(巢湖學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 巢湖 238000)

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基于LabVIEW的飛行器參數(shù)測量平臺(tái)設(shè)計(jì)*

孫春虎，陳海波，方愿捷

(巢湖學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 巢湖 238000)

基于LabVIEW設(shè)計(jì)了一種飛行器加速度、角速度及姿態(tài)角測量平臺(tái)系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)、6軸慣性導(dǎo)航模塊及USB轉(zhuǎn)TTL模塊；軟件系統(tǒng)基于LabVIEW編寫了飛行器加速度、角速度及姿態(tài)角的三維數(shù)據(jù)測量平臺(tái)系統(tǒng)。該系統(tǒng)還可應(yīng)用于船舶、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的加速度、角速度及姿態(tài)角的三維數(shù)據(jù)測量顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)易于控制，能方便地觀察加速度、角速度及姿態(tài)角的三維數(shù)據(jù)曲線，并且當(dāng)6軸慣性導(dǎo)航模塊改變狀態(tài)時(shí)，輸出曲線均能隨之改變并能快速達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。

6軸慣性導(dǎo)航模塊; USB轉(zhuǎn)TTL模塊;LabVIEW;串口通信

0 引言

通過對飛行器的實(shí)時(shí)加速度(慣性)的測量，并進(jìn)行積分，可獲得飛行器實(shí)時(shí)速度和實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)。根據(jù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，從當(dāng)前點(diǎn)的位置根據(jù)連續(xù)測得的運(yùn)載體航向角和速度可推算出其下一點(diǎn)的位置，因而可連續(xù)測出飛行器的當(dāng)前位置。實(shí)時(shí)角速度是飛行器研制過程中很重要的參數(shù)之一,它決定了飛行器能否穩(wěn)定飛行，因而在飛行器飛行時(shí)必須知道每一時(shí)刻的飛行器角速度。飛行器姿態(tài)角的測量意義在于確定飛行器的當(dāng)前姿態(tài)，以便進(jìn)行姿態(tài)控制[1]。

本文利用計(jì)算機(jī)、6軸慣性導(dǎo)航模塊及USB轉(zhuǎn)TTL模塊，結(jié)合Labview軟件實(shí)現(xiàn)飛行器加速度、角速度及姿態(tài)角的三維數(shù)據(jù)測量顯示。該系統(tǒng)還可應(yīng)用于船舶、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的加速度、角速度及姿態(tài)角的三維數(shù)據(jù)測量顯示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)易于控制，能方便地觀察加速度、角速度及姿態(tài)角的三維數(shù)據(jù)曲線，并且當(dāng)6軸慣性導(dǎo)航模塊改變狀態(tài)時(shí)，輸出曲線均能隨之改變并快速達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。

1 測量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

測量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 測量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

測量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包括：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、USB轉(zhuǎn)TTL模塊及6軸慣性導(dǎo)航模塊。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要是裝有LabVIEW軟件的計(jì)算機(jī)，USB轉(zhuǎn)TTL模塊用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與6軸慣性導(dǎo)航模塊的相互通信，6軸慣性導(dǎo)航模塊用于測量實(shí)時(shí)加速度、角速度及姿態(tài)角。

2 測量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

測量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括：USB轉(zhuǎn)TTL模塊設(shè)計(jì)和6軸慣性導(dǎo)航模塊設(shè)計(jì)。

2.1 USB轉(zhuǎn)TTL模塊設(shè)計(jì)

由于USB串口采用的是RS232電平，為負(fù)邏輯，而6軸慣性導(dǎo)航模塊采用的是TTL電平，為正邏輯，因而要使兩者通信就必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)電平的一致性。USB轉(zhuǎn)TTL模塊原理圖[2]如圖2所示。

圖2 USB轉(zhuǎn)TTL模塊原理圖

USB轉(zhuǎn)TTL模塊通過USB口的管腳1供電，管腳2、3用于電腦發(fā)送或接收RS232電平數(shù)據(jù)，P1口用于6軸慣性導(dǎo)航模塊發(fā)送或接收RS232電平數(shù)據(jù)。

2.2 6軸慣性導(dǎo)航模塊設(shè)計(jì)

圖3 6軸慣性導(dǎo)航模塊管腳圖

6軸慣性導(dǎo)航模塊[3]采用高精度陀螺加速度計(jì)MPU6050，模塊內(nèi)部集成了姿態(tài)解碼器，結(jié)合動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波算法，姿態(tài)測量精度0.01°，穩(wěn)定性極高；數(shù)據(jù)輸出接口有串口和I2C口，I2C接口可以滿足高級(jí)用戶訪問底層測量數(shù)據(jù)的需求，但無姿態(tài)輸出，且所測數(shù)據(jù)均為X、Y、Z軸上的三維數(shù)據(jù)；波特率有115 200 bit/s和9 600 bit/s兩種模式，對應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出幀率分別為100 Hz和20 Hz。6軸慣性導(dǎo)航模塊管腳圖如圖3所示。

由圖3可知：管腳1～4用于串口數(shù)據(jù)通信，管腳5～8用于I2C口數(shù)據(jù)通信，本文選用串口數(shù)據(jù)通信。

3 測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)包內(nèi)容和計(jì)算公式分析

測量模塊發(fā)送到計(jì)算機(jī)的每幀數(shù)據(jù)分為3個(gè)數(shù)據(jù)包，分別為加速度包、角速度包和姿態(tài)角包。由于這3個(gè)數(shù)據(jù)包分析方法相同，這里只以姿態(tài)角包為代表進(jìn)行內(nèi)容和計(jì)算公式的分析。

姿態(tài)角包的內(nèi)容如表1所示。當(dāng)計(jì)算機(jī)接收到連續(xù)兩個(gè)數(shù)據(jù)內(nèi)容為0x55、0x53時(shí)，則可判斷此時(shí)接收到的數(shù)據(jù)包為姿態(tài)角包；從下一個(gè)數(shù)據(jù)開始的連續(xù)6個(gè)數(shù)據(jù)為X、Y、Z軸上的三維數(shù)據(jù)；每維數(shù)據(jù)為16 bit，以低字節(jié)、高字節(jié)的次序傳送。

姿態(tài)角X、Y、Z軸上的三維數(shù)據(jù)(滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角)計(jì)算公式如式(1)、式(2)、式(3)所示。

表1 姿態(tài)角包內(nèi)容

(1)

(2)

(3)

由式(1)、(2)、(3)可以看出：計(jì)算滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角時(shí)都需要將高字節(jié)數(shù)據(jù)左移8 bit，然后與低字節(jié)按位或得到16 bit數(shù)據(jù)，再除以32 768，最后乘以180即可得到各自角度。若此時(shí)16 bit數(shù)據(jù)小于32 768時(shí)，則此時(shí)角度為正值；否則此時(shí)角度為負(fù)值。

4 測量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括：前面板設(shè)計(jì)；串口讀寫設(shè)計(jì)；加速度、角速度和姿態(tài)角度讀取及計(jì)算設(shè)計(jì)；加速度、角速度和姿態(tài)角顯示設(shè)計(jì)。

4.1 前面板設(shè)計(jì)

前面板設(shè)計(jì)[4]如圖4所示。 通過前面板可以對串口號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)位等通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；加速度、角速度和角度輸出控制開關(guān)可以在波形圖表上顯示相關(guān)量的三維數(shù)據(jù)曲線；AX、AY、AZ為加速度三維數(shù)據(jù)顯示；WX、WY、WZ為角速度三維數(shù)據(jù)顯示；RX、RY、RZ為姿態(tài)角三維數(shù)據(jù)顯示。

圖4 前面板設(shè)計(jì)

4.2 串口讀寫設(shè)計(jì)

VISA配置節(jié)點(diǎn)用于通信的初始化設(shè)置；VISA寫節(jié)點(diǎn)用于向6軸慣性導(dǎo)航模塊寫入初始化控制字，以選擇通信接口模式和波特率設(shè)定；延時(shí)500 ms是使6軸慣性導(dǎo)航模塊有足夠的時(shí)間完成初始化；VISA串口字節(jié)數(shù)節(jié)點(diǎn)用于統(tǒng)計(jì)輸入緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù)；VISA讀節(jié)點(diǎn)從讀取緩沖區(qū)讀取指定字節(jié)數(shù)的數(shù)據(jù)。串口讀寫設(shè)計(jì)[5～6]如圖5所示。

圖5 串口讀寫設(shè)計(jì)

4.3 加速度、角速度和姿態(tài)角讀取及計(jì)算設(shè)計(jì)

由于加速度、角速度和姿態(tài)角讀取及計(jì)算過程相似，這里只以姿態(tài)角為代表進(jìn)行讀取和計(jì)算設(shè)計(jì)。姿態(tài)角讀取與計(jì)算設(shè)計(jì)[7]如圖6所示。

圖6 姿態(tài)角讀取與計(jì)算程序框圖

搜索1維數(shù)組函數(shù)用于找到角度包的包頭及在數(shù)組中的位置；然后就可以根據(jù)表1和式(3)求解角度的三維數(shù)據(jù)RX、RY、RZ；圖中子VI函數(shù)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)角的正負(fù)值判別與處理。

4.4 加速度、角速度和角度顯示設(shè)計(jì)

加速度、角速度和姿態(tài)角顯示設(shè)計(jì)的目的是：當(dāng)這3個(gè)控制開關(guān)任何1個(gè)按下時(shí)，波形圖表應(yīng)顯示該控制量所對應(yīng)的三維數(shù)據(jù)曲線。如果同一時(shí)刻有兩個(gè)以上按鍵按下，那么在1個(gè)波形圖表上將顯示6條或9條數(shù)據(jù)曲線，造成相互重疊且不方便觀察，因此，任一時(shí)刻只允許1個(gè)控制按鍵按下，顯示3條曲線。程序框圖[8]如圖7所示。

圖7 加速度、角速度和角度顯示程序框圖

5 測量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)1：將串口設(shè)為COM4、波特率9 600 bit/s、數(shù)據(jù)位8位、停止位1位、無校驗(yàn)位；根據(jù)系統(tǒng)總體圖連好硬件，并把6軸慣性導(dǎo)航模塊放在某一固定位置保持不動(dòng)；分別打開加速度、角速度和姿態(tài)角開關(guān)，運(yùn)行LabVIEW程序；所得到對應(yīng)的三維數(shù)據(jù)曲線如圖8～圖10所示。

實(shí)驗(yàn)2：將串口設(shè)為COM3、波特率9 600 bit/s、數(shù)據(jù)位8位、停止位1位、無校驗(yàn)位；根據(jù)系統(tǒng)總體圖連好硬件，并把6軸慣性導(dǎo)航模塊先放在某一固定位置；打開姿態(tài)角開關(guān)，然后運(yùn)行LabVIEW程序；等輸出波形穩(wěn)定后，再把6軸慣性導(dǎo)航模塊放到另一固定位置。所得到姿態(tài)角的三維數(shù)據(jù)曲線如圖11所示。

圖8 固定位置時(shí)加速度三維曲線

圖9 固定位置時(shí)角速度三維曲線

圖10 固定位置時(shí)角度三維曲線

圖11 位置改變時(shí)角度三維曲線

由圖8可以看出，此時(shí)加速度三維數(shù)據(jù)AX、AY、AZ輸出波形還是很穩(wěn)定的，且AX≈1.04 m/s2、AY≈1.09 m/s2、AZ≈10.42 m/s2。

由圖9可以看出，此時(shí)角速度三維數(shù)據(jù)WX、WY、WZ輸出波形還是較穩(wěn)定的，且WX≈-1.71 rad/s、WY≈0.79 rad/s、WZ≈-1.16 rad/s。

由圖10可看出,此時(shí)姿態(tài)角三維數(shù)據(jù)RX、RY、RZ輸出波形是非常穩(wěn)定的，且RX≈5.80°、RY≈-5.54°、RZ≈0°。

由圖11可看出,當(dāng)6軸慣性導(dǎo)航模塊位置改變時(shí)，姿態(tài)角三維數(shù)據(jù)RX、RY、RZ輸出波形也會(huì)快速改變并進(jìn)入一種新的穩(wěn)定狀態(tài)，且穩(wěn)定時(shí)RX≈17.28°、RY≈-5.52°、RZ≈-2.46°。

由實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2可得出結(jié)論：該加速度、角速度及姿態(tài)角檢測系統(tǒng)還是很穩(wěn)定和精確的；且當(dāng)6軸慣性導(dǎo)航模塊位置改變時(shí)，檢測系統(tǒng)也能快速響應(yīng)并顯示新的穩(wěn)定位置數(shù)據(jù)，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)顯示特性。

6 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的飛行器加速度、角速度和姿態(tài)角測量顯示系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和精確性；并能對飛行器的位置變化產(chǎn)生快速響應(yīng)和實(shí)時(shí)顯示特性。所設(shè)計(jì)的飛行器加速度、角速度和姿態(tài)角測量系統(tǒng)具有一定的參考與應(yīng)用價(jià)值。

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Design of aircraft parameter measurement platform based on LabVIEW

Sun Chunhu,Chen Haibo,Fang Yuanjie

(School of Mechanical and Electronic Engineering,College of Chaohu,Chaohu 238000,China)

This article designed a vehicle acceleration,angular velocity and attitude angle measurement platform based on LabVIEW.The hardware system uses computer,6-axis inertial navigation module and USB to TTL module.Software system prepared three-dimensional data measurement platform of aircraft acceleration,angular velocity and attitude angle based on LabVIEW.The system can also be applied to three-dimensional data measuring to display acceleration,angular velocity and attitude angle of a ship,a car navigation system.Experimental results show that the system is easy to control,can easily observe the three-dimensional data curve of acceleration,angular velocity and attitude angle,and when the 6-axis inertial navigation module changes state,the output curve can also change and can quickly reach a new stable state.

6-axis inertial navigation module; USB to TTL module; LabVIEW; serial communication

巢湖學(xué)院科學(xué)科研項(xiàng)目(XLY-201508)

TP311.1

A DOI：10.19358/j.issn.1674-7720.2016.19.005

孫春虎，陳海波，方愿捷.基于LabVIEW的飛行器參數(shù)測量平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(19)：17-20.

2016-06-04)

孫春虎(1986-)，通信作者，男，碩士，助教，主要研究方向：電氣與自動(dòng)化。E-mail：sunchunhu@126.com。