基于MPU6050模塊的飛行姿態(tài)記錄系統設計

摘要：為了實(shí)現對固體燃料低空模型火箭飛行姿態(tài)自動(dòng)記錄的需求，提出了一種基于MPU6050模塊的飛行姿態(tài)記錄系統設計方案，并完成系統的軟硬件設計。該系統的硬件部分主要用來(lái)采集加速度模擬量并進(jìn)行存儲，軟件部分采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，完成數據讀寫(xiě)和上傳，數據處理借助上位機軟件進(jìn)行，還原實(shí)際飛行姿態(tài)。實(shí)際應用表明，該系統具有成本低廉、靈敏度高的特點(diǎn)，達到了設計要求。

關(guān)鍵詞：傳感器;加速度;自動(dòng)記錄;單片機

固體燃料低空模型火箭在發(fā)射原理和氣動(dòng)結構上都與實(shí)用探空火箭一致，同時(shí)具備重量輕、安全性高和價(jià)格相對低廉的特點(diǎn)，因此在本科教學(xué)及學(xué)科競賽中被廣泛使用。

目前的固體燃料低空模型火箭(以下簡(jiǎn)稱(chēng)模型火箭)受到成本和運載能力的限制并未加裝任何傳感器，對于模型火箭發(fā)射后的飛行姿態(tài)大都通過(guò)視頻的方式記錄，但是受到模型火箭飛行速度快、拍攝視角固定等問(wèn)題的限制，傳統的飛行姿態(tài)記錄方式效果并不理想，所得結果也缺乏進(jìn)一步討論的價(jià)值，缺少量化的飛行姿態(tài)數據也制約了模型火箭本身的改進(jìn)和發(fā)展?？梢?jiàn)設計出一種可量化的飛行姿態(tài)記錄系統非常有必要。

MPU6050模塊有著(zhù)高速、精確的加速度采集能力，提供SPI和IIC兩種通訊方案，能夠根據系統程序指令，同時(shí)進(jìn)行線(xiàn)加速度和角加速度的采集工作;M24C08芯片可以存儲1024字節數據，支持IIC通訊協(xié)議，具有體積小、重量輕、數據穩定性強的特點(diǎn);單片機以其較高的靈活性和穩定性廣泛應用在自動(dòng)控制系統中。本系統既是三者的結合，由傳感器、存儲器和單片機部分構成，對固體燃料低空模型火箭飛行過(guò)程中的加速度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和記錄，箭體返回后，配合上位機數據處理軟件，對加速度數據進(jìn)行處理，最終還原出模型火箭的真實(shí)飛行姿態(tài)。

1 系統的整體結構及功能描述

系統以STC89C52RC單片機為主控芯片，結合MPU6050模塊和M24C08芯片，可對模型火箭飛行中的加速度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并存儲，模型火箭回收后通過(guò)串口通訊將數據傳遞給上位機，并在相關(guān)軟件的輔助下進(jìn)行數據處理，最終還原出模型火箭實(shí)際飛行姿態(tài)。MPU6050模塊解決了模型火箭高速飛行過(guò)程中加速度數字化的問(wèn)題，并且具有采集速度快、精度高和可編程控制的特點(diǎn)，M24C08芯片具有支持IIC協(xié)議、重量輕和數據穩定性強的特點(diǎn)，雖然存儲容量較小，但鑒于模型火箭滯空時(shí)間短的特點(diǎn)，其數據存儲容量能夠滿(mǎn)足需求。系統結構框圖如圖1所示，本系統選擇STC89C52RC單片機為IIC通訊的主機，所有對話(huà)由單片機發(fā)起，單片機按照固定時(shí)間間隔詢(xún)問(wèn)MPU6050模塊模型火箭實(shí)時(shí)加速度情況，MPU60 50做出應答后單片機向M24C08芯片發(fā)起對話(huà)，要求M24C08芯片記錄當前加速度數值。以上周期性采樣從模型火箭點(diǎn)火開(kāi)始到飛行完成降落傘開(kāi)啟結束不間斷進(jìn)行，模型火箭回收后，進(jìn)行數據上傳和處理工作。

2 系統硬件設計

MPU6050模塊、STC89C52RC單片機與M24C08芯片之間采用IIC通訊，其電路圖如圖2所示。本系統設定只有 STC89C52RC單片機可以發(fā)起對話(huà)，其余原件只能做出應答，其中STC 89C52RC單片機的P1.2管腳與IIC通訊線(xiàn)路的時(shí)鐘線(xiàn)(SCL)連接，P1.3管腳與數據線(xiàn)(SDA)連接，程序根據邏輯需要按照IIC通訊協(xié)議控制時(shí)鐘線(xiàn)和數據線(xiàn)的電平變化，以發(fā)起所需對話(huà)。MPU6050模塊和M24C08芯片都支持IIC通訊，分別將其時(shí)鐘管腳和數據管腳與通訊線(xiàn)路的相應管腳相連接，連接完成后的IIC通訊線(xiàn)路即可實(shí)現主從之間的問(wèn)答式通訊。

實(shí)際使用中為了提高采集可靠性，在火箭放飛過(guò)程中單片機只固化采集存儲程序，待模型火箭回收后重新給單片機固化相應的數據讀取程序，數據才能被傳遞給上位機，但程序反復固化操作中往往會(huì )出現人員誤操作，引起M24C08芯片中的數據損壞，導致整個(gè)放飛失去意義，因此在M24C08的數據管腳設計了保護跳線(xiàn)，模型火箭回收后斷開(kāi)保護跳線(xiàn)，待確認程序固化正確后接通跳線(xiàn)，上傳數據。

MPU6050模塊是以MPU6050芯片為核心配合必要的外圍器件形成的加速度測量模塊。其中MPU6050芯片整合了3軸陀螺儀和3軸線(xiàn)加速度計，極大的減小了包裝空間，同時(shí)避免了加速度計和陀螺儀組合時(shí)的軸間差問(wèn)題，并能夠以400 kHz的速度提供16位精度的加速度數據。由于芯片本身對于外圍器件要求較高，因此本系統硬件設計中選用了MPU6050模塊，保證了數據的可靠性。在裝配中采取模塊與主板層疊的安裝方式，進(jìn)一步減小了整個(gè)系統的體積，系統實(shí)物圖如圖3所示。

3 系統軟件設計及數據處理

系統程序設計包括數據采集存儲和數據讀取上傳兩部分構成，為了提高系統的可靠性，兩部分程序不同時(shí)固化在單片機中，在模型火箭發(fā)射時(shí)固化數據采集存儲程序，模型火箭回收后固化數據讀取上傳程序。數據采集存儲程序每隔0.1 s采集一組模型火箭加速度值，并存儲到M24C08芯片中，雖然MPU6050可以提供16位精度數據，但低八位數據抖動(dòng)嚴重，所以系統只記錄高8位數據，這樣M24C08芯片可以記錄170組(每組6個(gè))加速度數據，記錄持續時(shí)間為17s。模型火箭點(diǎn)火延時(shí)2 s，導軌飛行1秒，滯空飛行14 s，數據采集存儲程序工作時(shí)間可對3個(gè)過(guò)程實(shí)現完全覆蓋。數據讀取上傳程序讀取M24C08中的數據并以串口通訊方式傳遞給上位機。

數據處理分為數據接收、數據預處理和姿態(tài)還原3個(gè)部分，數據接收部分利用串口助手軟件接收下位機上傳的數據，同時(shí)將八進(jìn)制數轉換為十進(jìn)制。數據預處理主要是對數據進(jìn)行定性分析：出現角加速度不為零的情況說(shuō)明模型火箭飛行中出現旋轉;前2 s(模型火箭靜止狀態(tài))出現X/Y軸線(xiàn)加速度不為零說(shuō)明發(fā)射架水平度不符合要求;第3 s(模型火箭導軌飛行)開(kāi)始出現X/Y軸線(xiàn)加速度不為零說(shuō)明導軌裝配出現問(wèn)題。在數據預處理階段未發(fā)現上述問(wèn)題則進(jìn)入姿態(tài)還原階段，該階段借助Matlab軟件對X/Y/Z三軸線(xiàn)加速度進(jìn)行計算，還原模型火箭飛行姿態(tài)，算法公式如圖4所示。