摘要：本文介紹了一種基于新型MEMS加速度計(jì)和MR（磁阻）傳感器的嵌入式姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)本系統(tǒng)，可以獲得載體的三個(gè)姿態(tài)參數(shù)：基于地球磁場(chǎng)的方位角，基于地球重力場(chǎng)的俯仰角和橫滾角。
1. 介紹：
傳統(tǒng)的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)采用捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)（SINS），相比平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)而言，其具有 體積相對(duì)更小，成本相對(duì)更低，易于安裝和維護(hù)并且可靠性更高的有點(diǎn)，因此，捷聯(lián)慣導(dǎo)系 統(tǒng)在飛行器導(dǎo)航和姿態(tài)測(cè)量中得到了廣泛的研究和應(yīng)用。
然而，傳統(tǒng)的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)包括捷聯(lián)式慣導(dǎo)普遍具有體積大，重量大，復(fù)雜程度高等特 點(diǎn)，使得傳統(tǒng)的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法應(yīng)用于日常應(yīng)用。同時(shí)，傳統(tǒng)的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)一般需要一 個(gè)尋北系統(tǒng)的輔助來(lái)獲得載體的方位角，但是傳統(tǒng)的尋北系統(tǒng)多為基于陀螺的系統(tǒng)，其體積 和復(fù)雜度也是日常應(yīng)用所無(wú)法接受的。可見(jiàn)，對(duì)于對(duì)體積具有嚴(yán)格限制的嵌入式系統(tǒng)而言， 需要研制一種小型的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)來(lái)滿足其姿態(tài)測(cè)量的要求。MEMS 技術(shù)和MR 技術(shù)的快 速發(fā)展，為研制這種低成本，小體積，高集成度的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)提供了可能，從而可以使得 對(duì)體積和成本敏感的系統(tǒng)具有姿態(tài)測(cè)量的能力。
本文論述了由MEMS 加速度計(jì)和MR 傳感器組成的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，三軸 MEMS 加速度計(jì)用來(lái)獲得載體基于重力向量的俯仰角和橫滾角，而三軸MR 傳感器的輸出 經(jīng)過(guò)以俯仰角和橫滾角為參數(shù)的矩陣變換后可以給出載體相對(duì)于地磁北極的方位角。
2. 硬件描述：
本論文論述的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)主要由三軸MEMS 加速度計(jì)，三軸MR 傳感器，ARM 內(nèi)核 微控制器和用于顯示結(jié)果的LCD 顯示器組成。
2.1 三軸MR 傳感器
本系統(tǒng)選用了 Honeywell 的HMC2003 三軸磁阻傳感器。HMC2003 是一個(gè)高靈敏度三 軸MR 傳感器，它是由單軸MR 傳感器HMC1001 和雙軸MR 傳感器HMC1002 組合而成。 其精度可以達(dá)到400ugauss，量程為±2gauss，靈敏度為1V/gauss。磁阻傳感器在經(jīng)歷了強(qiáng)磁 場(chǎng)之后會(huì)被磁化而引起磁滯，從而引起輸出信號(hào)的失真，Honeywell 的“set/reset”功能可以 消除這種磁滯而使傳感器恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。
2.2 三軸MEMS 加速度計(jì)： 本系統(tǒng)中的加速度計(jì)選用了 Freescale 的MMA7260Q 單片三軸加速度計(jì)。MMA7260Q 是一個(gè)低成本的電容式微機(jī)械加速度計(jì)，其內(nèi)部具有信號(hào)調(diào)整、單極低通濾波器、溫度補(bǔ)償 等功能，其量程可以通過(guò)編程選擇1.5g/2g/4g/6g 之一。其主要特點(diǎn)如下：
微處理器：
本系統(tǒng)選用的微處理器為 Atmel 公司的At91sam7s64 ARM 微控制器。At91sam7s64 是基于32 位ARM 內(nèi)核的低管腳數(shù)高性能并且內(nèi)置Flash 的微控制器。其內(nèi)部集成了64k 字節(jié)Flash 和16k 字節(jié)的SRAM 以及大量的外設(shè)接口，例如兩個(gè)USART 接口，可以分別用 來(lái)與PC 機(jī)通信和控制串口LCD 屏顯示測(cè)量結(jié)果。其具有一個(gè) 10 位的SAR 逐次逼近式A/D 轉(zhuǎn)換器，并具有8 選1 模擬復(fù)用器。A/D 轉(zhuǎn)換器的采樣率可以達(dá)到384ksps。At91sam7s64 的ARM 內(nèi)核的最高運(yùn)行頻率可以達(dá)到55MHz，0.9Mips/MHz，以上的特點(diǎn)使At91sam7s64 非常適合于低成本體積敏感的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。
2.4 硬件結(jié)構(gòu)：
本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2.4 -1 所示。 由于At91sam7s64 具有片上A/D 轉(zhuǎn)換器而且具有8 選1 模擬復(fù)用器，使得MMA7620Q 和HMC2003 可以直接與微控制器相連而不必外加A/D 轉(zhuǎn)換器和復(fù)用器，不僅降低了系統(tǒng)的 成本和體積，提高了系統(tǒng)的集成度，同時(shí)減少了誤差源，提高了精度。經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換的測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)ARM 核的處理后，被送到串口LCD 并通過(guò)RS232 接口送入PC 機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步 的分析。
3. 姿態(tài)參數(shù)的獲得
在本系統(tǒng)中，三軸加速度計(jì)和三軸 MR 傳感器都以以下的方式安裝于電路板上：它們 的X 軸平行于系統(tǒng)的橫軸指向右，Y 軸平行于系統(tǒng)的縱軸指向前，X、Y、Z 軸定義為右手 坐標(biāo)系統(tǒng)，如圖3 -1 所示。
3.1 俯仰角與橫滾角的獲得：
為了獲得系統(tǒng)基于重力向量的俯仰角θ 和橫滾角φ，需要使用加速度計(jì)的三個(gè)輸出：Ax, Ay, Az 。俯仰角和橫滾角可以通過(guò)以下公式(1)和公式（2）計(jì)算得到。對(duì)于微控制器，函數(shù) 中的arctan(x) 需要通過(guò)以下公式（3）的泰勒展開(kāi)后才能計(jì)算得到。
3.2 方位角的獲得：
為了獲得系統(tǒng)相對(duì)于當(dāng)?shù)氐卮畔蛄康姆轿唤?，需要使用MR 傳感器的三個(gè)輸出Mx, My, Mz 。當(dāng)系統(tǒng)置于水平狀態(tài)時(shí)（俯仰角和橫滾角都為0）時(shí)，方位角ψ 可以由公式（4）直 接給出，但是在大多數(shù)情況下，系統(tǒng)并不是工作在水平狀態(tài)，此時(shí)地磁場(chǎng)的豎直分量將會(huì)影 響Mx 和My 的值，因此不能直接由公式（4）獲得相對(duì)于地磁向量的方位角。為了在所有 情況下都能獲得正確的方位角，必須將俯仰角和橫滾角考慮在內(nèi)，即必須通過(guò)以俯仰角和橫 滾角為參數(shù)的坐標(biāo)變換，將測(cè)得的（Mx, My, Mz）向量變換為與載體坐標(biāo)系有相同方位角的 水平坐標(biāo)系下的向量（M’x , M’y, M’z），其變換矩陣如公式（5）。
至此，系統(tǒng)的3 個(gè)姿態(tài)參數(shù)全部由公式（1）（2）（7）給出。
4. 誤差分析：
本文論述的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)主要由 MEMS 加速度計(jì)和MR 傳感器組成。由于現(xiàn)有MRMS 技術(shù)的限制，其精度和傳統(tǒng)的加速度計(jì)還有一定的差距，這將給所得到的俯仰角和橫滾角帶 來(lái)更大的誤差。MR 傳感器是對(duì)磁場(chǎng)敏感的器件，當(dāng)其被放置在鐵磁環(huán)境中的時(shí)候，地球的 磁場(chǎng)將受到附近鐵磁環(huán)境的扭曲，這將導(dǎo)致方位角的誤差。然而這種由于附近鐵磁物質(zhì)的影 響而引入的誤差是可以補(bǔ)償?shù)摹?/p>
5. 結(jié)論：
使用MEMS加速度計(jì)和MR傳感器構(gòu)成的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)有效的降低了整個(gè)系統(tǒng)的體積、 成本以及功耗，使得嵌入式系統(tǒng)也可以引入姿態(tài)測(cè)量的功能。本文論述的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)非常 適用于汽車導(dǎo)航，機(jī)器人姿態(tài)測(cè)量等領(lǐng)域。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于使用MEMS 和MR 元件構(gòu)造 了應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，并詳細(xì)給出了各姿態(tài)參數(shù)的計(jì)算方法。
