ADISl6300四自由度IMU在姿態(tài)測量中的應用

近年來(lái)，微機電系統(MEMS)技術(shù)廣泛用于汽車(chē)的系統和穩定系統、醫學(xué)系統、便攜式照相機、運動(dòng)裝置和三維鼠標等領(lǐng)域。簡(jiǎn)單和小體積的慣性測量系統尤其受到關(guān)注，因此，基于MEMS的高精度、重量輕、小體積的姿態(tài)測量系統將得到廣泛的應用。本文將介紹一種ADI公司的慣性傳感器以及由其組成的微小姿態(tài)測量系統。

1 ADISl6300簡(jiǎn)介

ADISl6300四自由度(4DoF)IMU是一個(gè)完整的慣性測量傳感器，其內置單軸陀螺儀和三軸加速計，每個(gè)傳感器都實(shí)現了iMEMS(Motion Sig-nal Processing Technology)技術(shù)與信號調理技術(shù)的完美結合，可提供最優(yōu)化的動(dòng)態(tài)性能。工廠(chǎng)校準為每個(gè)傳感器提供靈敏度、偏置、對準和線(xiàn)性加速度特性。因此，每個(gè)傳感器都擁有自身的動(dòng)態(tài)補償，從而可以在4.75～5.25 V的電源范圍內進(jìn)行精確的傳感器測量。由于A(yíng)D-ISl6300所有必要的運動(dòng)檢測與校準都是在工廠(chǎng)完成，大幅縮短了系統集成時(shí)間，并降低了測試設備成本。ADISl6300采用改進(jìn)的SPI接口，可提供更快的數據收集與配置控制，用戶(hù)實(shí)現就像供電及連接SPI(串行外設接口)端口一樣簡(jiǎn)單。ADISl6300采用23 mmx31 mmX7.5 mm封裝，具有2 000 g額定耐沖強度，并提供了一個(gè)標準的連接接口，使其能方便水平或垂直安裝。

ADISl6300角速度檢測的動(dòng)態(tài)范圍具有±75、±150以及±300(°)/s 3種選項，三軸加速度的動(dòng)態(tài)范圍為±3 g，可提供350 Hz帶寬，高達1 200次/秒的采樣速率，并具有嵌入式與可編程數字濾波功能。ADISl6300其價(jià)格僅為其他同級產(chǎn)品的1/10，可廣泛應用于醫療儀器、機器人、慣性測量單元、導航控制等領(lǐng)域。

2 ADISl6300結構功能

如圖1所示，圖(a)為ADISl6300的坐標系，其標出了每個(gè)慣性傳感器(陀螺儀和加速度計)的測量朝向。圖(b)為ADISl6300的標準接口引腳配置圖，引腳16，17，18，19，22，23，24是沒(méi)有連接的預留引腳;引腳10，11，12為電源VCC;引腳13，14，15為電源GND;引腳3，4，5，6分別為SPI接口的時(shí)鐘，數據輸出，數據輸入和器件選擇引腳;引腳1，2，7，9分別為配置數據輸入/輸出引腳;引腳8為復位引腳;引腳21，22分別為12位的ADC輸入和DAC輸出引腳。

ADISl6300功能模塊框圖如圖2所示，溫度傳感器、MEMS角速度傳感器和三軸MEMS加速度傳感器分別感知環(huán)境溫度、器件所受角速度和三維加速度，將信號調理并轉換，經(jīng)校準和數字信號處理后將數據存入輸出寄存器供外部SPI主控器件讀取。ADISl6300是一個(gè)智能的傳感器，傳感器上電后便自動(dòng)以819.2次/秒采樣速率進(jìn)行慣性測量。每個(gè)采樣周期結束后，傳感器測量結果存放至輸出寄存器，并且DI01引腳向器件外產(chǎn)生一個(gè)脈沖，表示一個(gè)完整的新慣性測量數據已經(jīng)采集準備好，可供外部SPI主控器件讀取。

3 ADISl6300基本操作

3.1 ADISl6300的SPI連接

ADISl6300是一個(gè)全數字接口的智能傳感器系統，其SPI接口與各種微處理器SPI主控制器件接線(xiàn)如圖3所示。微處理器作為SPI主器件各引腳功能分別為：

為從器件選擇;IRQ為中斷請求;MOSI為主器件輸出，從器件輸入;MISO為器件輸入，從器件輸出;SCLK為連續時(shí)鐘。AD-ISl6300對SPI時(shí)鐘需滿(mǎn)足：正常模式下SCLK不高于2 MHz：數據進(jìn)發(fā)模式下SCLK不高于1 MHz;在低電壓模式下SCLK不高于300 kHz。

3.2 傳感器數據讀取

通過(guò)ADISl6300的SPI接口可讀取其傳感器的供電電壓，陀螺儀值，X，Y，Z軸加速度值，溫度值，縱搖角，橫搖角等數據。根據ADISl63 00讀取數據時(shí)序，讀取每個(gè)寄存器的內容分為兩步，即2個(gè)16位的時(shí)序：第1個(gè)16位時(shí)序向ADISl6300寫(xiě)入讀取命令和寄存器地址;第2個(gè)16位時(shí)序將對應寄存器內容發(fā)送至DOUT數據線(xiàn)上。例如：如果第1個(gè)16位時(shí)序DIN=0x0A00，那么第2個(gè)時(shí)序時(shí)，XACCL_OUT(X軸加速度值)將被發(fā)送到DOUT數據線(xiàn)上。

數據進(jìn)發(fā)模式是連續讀取ADISl6300數據的最好方式。在10個(gè)連續的時(shí)序周期內，9個(gè)常用寄存器數據可方便讀到，它們分別是：SUPPLY _0UT(供電電壓)、GYRO_OUT(陀螺儀)、XACCL_OUT(X軸加速度)、YACCL_0UT(Y軸加速度)、ZACCL_0UT(Z軸加速度)、TEMP_0UT(溫度)、PITCH_ 0UT(俯仰角)、0LL_OUT(橫滾角)和AUX_ADC(ADC轉換結果)。數據進(jìn)發(fā)模式操作為：在連續10個(gè)時(shí)序周期內，DIN引腳對應的10個(gè)輸入數據以0011 111O 0000 0000(Ox3E00)開(kāi)始，之后9個(gè)數據可任選，同時(shí)在DOUT引腳上依次輸出如上所述9個(gè)輸出寄存器內的數據。

3.3 數據處理

表1說(shuō)明了ADISl6300數據輸出的格式和比例因子。從表1中可知，SUPPLY_0UT和AUX_ADC數據格式都為12位的二進(jìn)制數據，各慣性傳感器輸出的數據格式均為14位2的補碼，溫度傳感器輸出數據格式和AUX_ADC數據格式都是12位2的補碼，而橫搖角和縱搖角數據格式為13位的2的補碼。也就是說(shuō)0x0000是0LSB.0x0001是+1 LSB，2n-1(n=12，13，14)為-1 LSB，LSB為滿(mǎn)量程輸入范圍的最小單位。若為GYRO_0UT時(shí)，1 LSB=O.05(°)/s。下式可用來(lái)將輸出數據轉換成浮點(diǎn)形式的姿態(tài)數據。

式中，DATA_OUTi為表1中輸出數據，OUTi為轉換后浮點(diǎn)形式的姿態(tài)數據，Scale為表1中最小單位，n為表1中數據位數。

例如：GYR0_0UT=0x384A，由于

，則角速率Rate=(0x4000-Ox384A)×(-0.05)(°)/s=1206x(-0.05)(°)/s=-60.3(°)/s。因此，根據傳感器方向坐標定義，當GYRO 0UT為0x384A時(shí)，表示傳感器z軸以60.3(°)/s的角速率逆時(shí)鐘旋轉。

4 姿態(tài)測量系統設計

ADISl6300是四自由度(4DoF)慣性檢測系統，能提供三軸加速度以及Z軸旋轉角速率，此外還輸出了橫搖角、縱搖角和溫度數據，能應用于醫療儀器、機器人、慣性測量單元、導航控制領(lǐng)域等。介紹基于C8051F330和ADISl6300的姿態(tài)測量系統，該系統采用C805lF330單片機的SPI接口讀取ADISl6300的數據。再將采集到的數據通過(guò)串行RS-232接口輸出。

4.1 硬件設計

姿態(tài)測量系統的硬件連接如圖4所示，器件ADISl6300無(wú)需其他外圍電路，本設計僅采用0.1μF和10μF電容并聯(lián)入器件供電電路進(jìn)行電源退耦。C8051F330是美國Slincon公司生產(chǎn)的一款高性能的8051內核單片機，它具有增強波特率配置的全雙工UART和增強型SPI端口，采用4 mm×4 mmx0.9 mm封裝。C8051F330的IO口允許0～5 V電平，且ADISl6300的SPI接口輸入高電平只需2.0 V，因此C8051F330和ADISl6300雖是不同工作電源器件，但它們的接口電平兼容，可采取直接連接的方式直接連接。RS-232電平轉換采用MAX3232，它是一款3～5.5 V單通道RS-232線(xiàn)路驅動(dòng)器/接收器。電源電路可提供+5 V和+3.3 V電壓，分別為ADISl6300和C8051F330提供電源。

4.2 軟件設計

姿態(tài)測量系統單片機的SPI接口采用數據進(jìn)發(fā)模式讀取ADISl6300數據，根據ADISl6300數據進(jìn)發(fā)模式定義，在10個(gè)連續時(shí)序周期下，9個(gè)輸出寄存器內的數據依次輸出到DOUT引腳上。程序流程如圖5所示，程序啟動(dòng)進(jìn)入系統初始化.包括IO口、SPI和串口等。對ADISl6300的操作程序首先向其寫(xiě)入0x3E00，并讀取返回的數據，此次數據為SPI之前的數據，之后向ADISl6300連續寫(xiě)9次0x0000，便可連續讀到9個(gè)輸出寄存器內數據。完成9個(gè)數據讀取后，按上述數據處理中介紹的數據處理方法解算9個(gè)數據，最后通過(guò)串口輸出。

5 試驗及數據分析

為了能對由C8051F330和ADISl6300傳感器組成的姿態(tài)測量系統進(jìn)行簡(jiǎn)單的測定，該試驗采用姿態(tài)與航向參考系統(attitude and heading reference system)AHRS500GA-226作為參考傳感器。該傳感器可測量被安裝物體的歐拉方位角(航向、縱搖角與橫搖角)，其內置三軸磁場(chǎng)計、3個(gè)陀螺儀和3個(gè)加速度計，能高精度、高靈敏地測出360°范圍的方位角，±180°橫滾角，±90°俯仰角。試驗中將兩系統固定安裝在同一平臺上，使平臺運動(dòng)并用計算機同時(shí)保存兩系統輸出的姿態(tài)數據。兩系統輸出的航向角速率、X軸加速度、Y軸加速度、Z軸加速度四組姿態(tài)數據利用Matlab軟件圖形顯示如圖6所示。

從圖中可以看出，利用ADISl6300所測量的航向角速率、X軸加速度、Y軸加速度和Z軸加速度4個(gè)空間姿態(tài)數據與AHRS所測量的姿態(tài)數據基本一致，其中ADISl6300輸出的航向角速率、X軸加速度、Y軸加速度和Z軸加速度平均誤差分別為0.469(°)/s、O.009 m/s2、O.010m/ s2、O.003 m/s2。ADISl6300數據的噪聲較大，這是由于它的數據輸出未經(jīng)濾波處理和融合算法處理，而AHRS經(jīng)過(guò)復雜的融合算法和濾波處理。因此，要使用ADISl6300獲取更準確、更平滑的姿態(tài)數據還需將其數據進(jìn)行融合或濾波處理，如卡爾曼算法。

6 結論

四自由度IMU慣性測量傳感器ADISl6300可準確測量空間姿態(tài)，采用C805lF330與ADISl6300組成的姿態(tài)測量系統能夠實(shí)現準確測量空間姿態(tài)。ADISl6300輸出的航向角速率、X軸加速度、Y軸加速度和Z軸加速度4個(gè)空間姿態(tài)的平均誤差分別為0.469(°)/s、0.009m/s2、0.01 0m /s2、0.003 m/s2。然而姿態(tài)數據的噪聲需濾波和融合算法來(lái)消除，以獲得更為平滑、精確的空間姿態(tài)數據。