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基于MPU9250的示教航行姿態(tài)研究

2018-08-25 08:14彭琰舉宋文學王晉王鵬
電子設計工程 2018年16期
關鍵詞:陀螺儀協方差通訊

彭琰舉,宋文學,王晉,王鵬

(西安航空學院機械工程學院機電技術研究所陜西省泵類裝備工程研究中心陜西西安710077)

隨著科學技術的不斷發(fā)展,基于PC系統的虛擬儀器儀表被廣泛應用于工業(yè)及軍事領域中。其中,可輸出高精度的位置、速度、姿態(tài)、角速度、加速度和時間等信息的航姿測量儀最為常見。但這類儀器多采用慣性導航技術和組合導航技術,往往內置了價格較為昂貴的高精度光纖陀螺、石英加速度計及多模衛(wèi)星導航接收機等設備[1-3]。

在教學中,若采用此類儀器作為示教儀器,將會增加教育成本。文中所研制的儀器系統采用高度集成的數字式加速度計、磁場計、陀螺儀傳感器設計的AHRS航姿參考系統,既具備常見航測量儀的功能,又更大地降低了教學成本,與此同時該系統又能被擴展至各類無線設備中,具有較高的市場價值和應用前景[4-5]。

1 系統總體框架設計

系統總體框架設計方案如圖1所示,本系統分為兩部分,圖 1(a)為服務端,圖 1(b)為客戶端。服務端主要由USB調試模塊、DC/DC、LDO,電池模塊、無線模塊ESP8266、航行姿態(tài)檢測模塊MPU9250等部分組成。客戶端主要由PC、CH340[6]、模塊ESP8266組成。

圖1 系統邏輯框圖

其中ESP8266模塊采用了Tensilica公司的Xtensa? 32-bit LX6處理器[7-9],它在封裝為QFN32的芯片上集成了主頻達160 MHz的IP內核,可以同時工作在AP模式與STA模式下,具備云升級及多總線擴展功能,在物聯網領域應用廣泛。

該系統中的MPU9250是一個QFN封裝的復合芯片(MCM),在3x3x1mm上集成了3軸16位加速度、3軸16位陀螺儀、3軸16位磁力計以及數字運動處理器(DMP),并且可以承受較大的震動沖擊,該器件具備快速和慢速運動狀態(tài)跟蹤功能,內置的溫度傳感器和偏差計數器可以有效的進行器件的溫度補償,在85℃時可以保證僅有1%的時鐘漂移。使用I2C方案使得系統連接大大簡化,通訊速率可達400 kHz,能夠直接輸出9軸全部數據,通過軟件濾波和歸一化計算運算可以得到姿態(tài)參數。

2 系統原理

教學示教航行姿態(tài)系統,通過安裝在航模上的九軸數字傳感器MPU9250進行姿態(tài)測量,其內部結構如圖2所示。核心控制器ESP8266通過I2C總線與傳感器MPU9250通訊讀取10組AD值。分別為,三軸加速度、三軸磁強計度、三軸陀螺儀、一組溫度的AD值,經過歸一化姿態(tài)融合后就可以得到Pitch、Roll、Yaw角,再通過建立無線WIFI路由器AP模式的TCP/UDP服務,為客戶端提供測試所得的姿態(tài)數據。

在客戶端使用Unity3Dengine創(chuàng)建UI,如圖3所示。

圖2 MPU9250邏輯結構圖

示教時,針對性的展示姿態(tài)角,它們是:俯仰角pitch、滾轉角yaw、偏航角roll。在地面上選一點Og,使Xg軸在水平面內并指向某一方向;Zg軸垂直于地面并指向地心,重力方向;Yg軸在水平面內垂直于Xg軸,其指向按左手定則確定。

圖3 示教虛擬展示

3 硬件設計

3.1 USB通訊電路設計

CH340是一個USB總線的轉接芯片,通過USB總線提供異步串口、打印口、并口以及常用的2線和4線等同步串行接口。該芯片提供了兼容USB相關規(guī)范和Windows操作系統的USB轉串行通訊,在本系統中大大簡化了硬件通訊設計。

如圖4所示,USB與串行通訊的轉換完全在芯片CH340內部完成。在本系統能夠中實現下載與通訊調試兩種角色。其中一鍵程序電路,DTR為數據終端準備好信號,RTS為數據終端請求信號。

圖4 USB通訊電路

3.2 無線控制器電路設計

在本系統設計中如圖5所示。

無線通訊部分,只需在外部加入的由L1、L2、C5組成的π型選頻網絡即可,在PCB制版時需要加入50歐姆的阻抗匹配即可。

由于ESP8266進入BOOT下載模式必須滿足以下條件:

1)CHIP_EN引腳置高

2)GPIO0引腳置低(置高則進入從FLASH運行模式)

而實現一鍵下載的關鍵就在于,GPIO0引腳和RESET引腳電平狀態(tài),當DTR為1,RTS為0時,RESET復位引腳拉低,反之,GPIO0引腳拉低,邏輯關系如表1所示:

在使用PC端自動下載固件時,在軟件端需要啟動硬件流控制并適當在不同模式間加入50 ms延時才能正常使用,否則可能出現異常。

3.3 電源電路設計

本系統設計的電源如圖6所示,輸入電壓工作范圍為6~24 V,輸出電壓為3.30 V,采用DC/DC(BUCK)與LDO協同工作,在DC/DC中加入了旁路濾波選頻器(C3、R6),在輸出級加入了兩級自恢復保險(F1、F2)。

其中DC/DC選用芯源半導體生產的MP1584EN,與之配合的電感選用FDV系列鐵粉芯電感,電容選用TDK系列,輸出級采用電壓3倍的耐壓值,LDO選用AMS1117。

該設計一方面具有較高的轉換效率,還可適應更寬的輸入電壓范圍,另一方面有效降低了系統電源紋波,提高整體電路輸出電壓工作穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性,同時加入的自恢復保險避免了短路風險對核心控制器的損害。

4 軟件設計

態(tài)解算一般有兩種算法,一種是IMU,另一種是被各種無人機廣泛使用的AHRS。

圖5 ESP8266控制器子系統

表1 ESP8266啟動邏輯

圖6 供電源電路

4.1 姿態(tài)解算

本系統姿態(tài)檢測部分由加速度計,磁場計,陀螺儀構成,能夠為飛行器提供準確可靠的航向(yaw),橫滾(roll)和側翻(pitch)等姿態(tài)航行信息。傳感器所測得的數據分別為3X,3Y,3Z三軸的加速度和三軸角速度原坐標系,因此常采用四元數和歐拉角表示旋轉狀態(tài)[10],其公式如式(1)(2)所示。

式(1)中w、x、y、z為四元數,式(2)中φ、θ、ψ分別為全局坐標系下的角度。

在系統中采用上述方法對姿態(tài)進行解算。

4.2 濾波器設計

盡管采用了數字式的九軸傳感器,但由于加速度及磁場對外界震動影響較大,需要結合陀螺儀進行歸一化解算,進而得到AHRS狀態(tài),本文采用卡爾曼濾波器進行濾波,采用最小均方誤差為估計準則,這種方法采用信號與噪聲的狀態(tài)空間模型,利用循環(huán)迭代求出當前測量估計值。這類方法非常適合微處理實時計算[11-15]。其濾波模型如式(4)所示:

對所測得的數值取不同的權值,把它們結合到一起,進行修正,如式(5)、(6)所示:

FK是作用在xk上的狀態(tài)變換矩陣;

Bk是作用在控制向量uk上的輸入模型;

Hk是測量矩陣,wk為噪聲干擾;

Qk為協方差矩陣,Pk|k為當前狀態(tài)協方差;

就那樣分手了。三年的校園愛情,一年的共同生活,蒼茫地結束。而夏天也就過去了,所有的陽光都好像在夏季里消耗殆盡。

|k-1為上次更新的狀態(tài)(角度);

其中(5)式為預測估計階段,包含預測狀態(tài)和協方差矩陣;式(6)是數據更新階段包含,卡爾曼系數,更新狀態(tài)的推算和協方差的推算;

其中角度解算濾波步驟如下[16]:

1)計算預估計協方差矩陣;

2)計算卡爾曼增益矩陣;

3)更新測量估計;

5)循環(huán)重復以上步驟。

4.3 解算程序

以下為嵌入式卡爾曼濾波算法實現:

4.4 實驗結果

測試時沿著Z軸旋轉并記錄數據,如圖7所示。

如圖7~8所示,為示教器實際運動軌跡,測量所得的軌跡與濾波后的軌跡。經過濾波后的姿態(tài)解算,基本與原始運動軌跡一致,角度解算達到設計要求。

5 結 論

在航姿示教器的設計過程中,充分考慮了噪聲對系統的干擾,在硬件使用了更為精密的電源設計,在軟件上采用了卡爾曼權值濾波。同時系統采用了C/S架構無線WIFI模式,便于與計算機、手機等設備連接。通過實驗室及教學驗證,達到了設計要求,可以滿足示教功能的姿態(tài)解算,具有較好的示教效果,具有一定的參考價值。

圖7 偏航角roll測試

圖8 偏航角roll姿態(tài)解算濾波

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