基于MEMS 和MR 傳感器的嵌入式系統姿態(tài)測量

摘要: 本文介紹了一種基于新型MEMS加速度計和MR(磁阻)傳感器的嵌入式姿態(tài)測量系統。通過(guò)本系統，可以獲得載體的三個(gè)姿態(tài)參數：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：

傳統的姿態(tài)測量系統采用捷聯(lián)式慣導系統(SINS)，相比平臺式慣導系統而言，其具有 體積相對更小，成本相對更低，易于安裝和維護并且可靠性更高的有點(diǎn)，因此，捷聯(lián)慣導系 統在飛行器導航和姿態(tài)測量中得到了廣泛的研究和應用。

然而，傳統的姿態(tài)測量系統包括捷聯(lián)式慣導普遍具有體積大，重量大，復雜程度高等特 點(diǎn)，使得傳統的姿態(tài)測量系統無(wú)法應用于日常應用。同時(shí)，傳統的捷聯(lián)慣導系統一般需要一 個(gè)尋北系統的輔助來(lái)獲得載體的方位角，但是傳統的尋北系統多為基于陀螺的系統，其體積 和復雜度也是日常應用所無(wú)法接受的?？梢?jiàn)，對于對體積具有嚴格限制的嵌入式系統而言， 需要研制一種小型的姿態(tài)測量系統來(lái)滿(mǎn)足其姿態(tài)測量的要求。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)測量系統提供了可能，從而可以使得 對體積和成本敏感的系統具有姿態(tài)測量的能力。

本文論述了由MEMS 加速度計和MR 傳感器組成的姿態(tài)測量系統。在本系統中，三軸 MEMS 加速度計用來(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的矩陣變換后可以給出載體相對于地磁北極的方位角。

2. 硬件描述：

本論文論述的姿態(tài)測量系統主要由三軸MEMS 加速度計，三軸MR 傳感器，ARM 內核 微控制器和用于顯示結果的LCD 顯示器組成。

2.1 三軸MR 傳感器

本系統選用了 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。 其精度可以達到400ugauss，量程為±2gauss，靈敏度為1V/gauss。磁阻傳感器在經(jīng)歷了強磁 場(chǎng)之后會(huì )被磁化而引起磁滯，從而引起輸出信號的失真，Honeywell 的“set/reset”功能可以 消除這種磁滯而使傳感器恢復到正常的工作狀態(tài)。

2.2 三軸MEMS 加速度計： 本系統中的加速度計選用了 Freescale 的MMA7260Q 單片三軸加速度計。MMA7260Q 是一個(gè)低成本的電容式微機械加速度計，其內部具有信號調整、單極低通濾波器、溫度補償 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 內核的低管腳數高性能并且內置Flash 的微控制器。其內部集成了64k 字節Flash 和16k 字節的SRAM 以及大量的外設接口，例如兩個(gè)USART 接口，可以分別用 來(lái)與PC 機通信和控制串口LCD 屏顯示測量結果。其具有一個(gè) 10 位的SAR 逐次逼近式A/D 轉換器，并具有8 選1 模擬復用器。A/D 轉換器的采樣率可以達到384ksps。At91sam7s64 的ARM 內核的最高運行頻率可以達到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)測量系統。

2.4 硬件結構：

本系統的硬件結構如圖2.4 -1 所示。 由于A(yíng)t91sam7s64 具有片上A/D 轉換器而且具有8 選1 模擬復用器，使得MMA7620Q 和HMC2003 可以直接與微控制器相連而不必外加A/D 轉換器和復用器，不僅降低了系統的 成本和體積，提高了系統的集成度，同時(shí)減少了誤差源，提高了精度。經(jīng)過(guò)A/D 轉換的測量數據經(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 機進(jìn)行進(jìn)一步 的分析。