基于KXR94加速度計的微型慣性測量裝置設計

　　微型慣性測量裝置MIMU(Micro Inertial Measure-ment Unit)以其尺寸小、成本低等特點(diǎn)不僅在傳統應用領(lǐng)域得到應用，而且在商業(yè)領(lǐng)域占據了一定的市場(chǎng)。本文設計了一個(gè)高度集成、低功耗及低成本的微型慣性測量裝置，可精確地測算出載體的航向角、俯仰角及位置等信息，為運動(dòng)軌跡跟蹤實(shí)驗打下了基礎，也可廣泛地應用于民用航空、車(chē)輛控制、機器人、工業(yè)自動(dòng)化、探礦、玩具等領(lǐng)域。

　　1 系統硬件設計

　　1．1 慣性測量器件選擇

　　根據運動(dòng)軌跡跟蹤的特征和實(shí)驗本身的特點(diǎn)，微慣性測量裝置應該滿(mǎn)足下列設計要求：體積小、質(zhì)量輕、功耗低、采集頻率和采集精度高、成本低以及抗沖擊能力強。為了實(shí)現這些需求，微慣性測量裝置的硬件主要由微慣性傳感器單元MEMS和微處理器單元DSP組成。微慣性傳感器單元由微機械陀螺和微加速度計組成，可精確測量載體的3個(gè)軸向角速度信息和3個(gè)軸向加速度信息。

　　加速度計是慣性導航與慣性制導系統的一類(lèi)重要敏感元件，用來(lái)測量運載體相對慣性空間運動(dòng)的加速度，經(jīng)過(guò)積分和相關(guān)的運算就能得到載體空間的位置。加速度計是一個(gè)直接測量元件，它能連續測量運載體的加速度，然后經(jīng)過(guò)計算機解算出運載體速度、經(jīng)緯度及航程等。本系統采用的KXR94加速度計芯片是Kionix公司生產(chǎn)的三軸加速度計。該加速度計內部已經(jīng)對溫度和電壓波動(dòng)引起的偏差進(jìn)行了設計補償，因此由于電壓和溫度引起的偏差較小。該器件測量范圍為±2 g，靈敏度系數為560 mV／g，非線(xiàn)性度為0．1％，零加速度漂移為±150 mg；2．8～3．3 V均可工作；功耗很低，靜態(tài)電流約1.1 mA。其原理圖如圖1所示。

　　陀螺儀用來(lái)測量載體的運動(dòng)角速度。本設計中選用InvenSense公司生產(chǎn)的IDG-300雙軸陀螺，其精度穩定在±3°／s以?xún)刃枰?00 ms。該器件采用3．0～3．3 V供電；測量偏航角速度的范圍是±500°／s，靈敏度為2 mV／(rad·s－1)，零位輸出電壓為1．5 V；通過(guò)外部電阻和電容可分別設定測量角速度的范圍、帶寬及零位輸出電壓。其原理圖如圖2所示。

　　此陀螺未對內部溫度和電壓引起的波動(dòng)進(jìn)行補償，在設計中要充分考慮?？蓮膬蓚€(gè)方面來(lái)彌補其不足：①在電路板布局設計時(shí)，陀螺和加速度計芯片要盡量遠離電路板上電源、串口等發(fā)熱和電壓波動(dòng)大的芯片；②在軟件算法設計時(shí)，運用陀螺的溫度漂移系數對其進(jìn)行修正。

　　1．2 硬件電路設計

　　DSP采用TI公司發(fā)布的C2000系列32位定點(diǎn)信號處理器TMS320F2812。其整合了高性能的DSP內核、128 KB的片上Flash存儲器、16路12位A／D轉換器以及SCI串行通信接口。傳感器單元所測得的模擬量經(jīng)集成在DSP片上的A／D轉換器采集寫(xiě)入片上Flash。所有信息在通過(guò)DSP的捷聯(lián)慣導處理后得到被測目標的位置信息。最終結果通過(guò)RS232直接發(fā)送至上位機，并顯示輸出。

　　在系統的構建中使用了2個(gè)IDG－300型陀螺儀，其中一個(gè)軸向的角度測量可以作為冗余設計。又因算法要求對加速度計和陀螺模擬信號的采集嚴格控制在同一時(shí)刻，故選用了2片AD684采樣保持放大器。AD684的每個(gè)采樣通道可以在1μs內完成采樣，而信號的損失率不高于0．01 μV／μs，且擁有很好的線(xiàn)性度和交流特性。AD684的控制信號為S／Hn，將此引腳拉低則進(jìn)行采樣保持。系統將2片AD684的S／Hn信號連接到DSP的1個(gè)I／O引腳上，這樣可將所有采集信號采樣保持，為DSP采集做好準備。圖3是慣性測量裝置的硬件連接圖。DSP外設部分采用3．3 V供電，故其SCI引腳的信號特性為T(mén)TL電平。在實(shí)際使用時(shí)通常需要將TTL電平轉換為RS232電平。系統中選用MAX3232將DSP的SCI接口信號轉換成計算機的RS232信號進(jìn)行通信。這是因為RS232的工作范圍是－15～+15 V。如此寬的范圍即使存在電壓衰減，傳輸信號也可以被可靠地識別；而一般情況下傳輸線(xiàn)路越長(cháng)，衰減就越嚴重。因此，在同等情況下RS232更能實(shí)現長(cháng)距離傳輸。為了使裝置實(shí)現遠距離傳輸，同時(shí)考慮到RS232接口的通用性，本系統選擇MAX3232用于與上位計算機通信。

　　2 系統軟件設計

　　慣性導航系統屬于一種推算導航方式，即根據連續測得的運載體航向角和速度，從一已知點(diǎn)的位置推算出其下一點(diǎn)的位置，因而可連續測出運動(dòng)體的當前位置。慣性導航系統中的陀螺儀用來(lái)形成一個(gè)導航坐標系，使加速度計的測量軸穩定在該坐標系中，并給出航向和姿態(tài)角；加速度計用來(lái)測量運動(dòng)體的加速度，經(jīng)過(guò)對時(shí)間的一次積分得到速度，再經(jīng)過(guò)對時(shí)間的一次積分即得到距離。故該裝置在測量載體角速度與加速度信息的基礎上，能夠確定運載體的位置和地球重力場(chǎng)參數，從而實(shí)現載體的多種運動(dòng)狀態(tài)信息的測量。本系統在DSP復位以后，首先進(jìn)行芯片的初始化，配置PLL、ADC、GPIO、SCI等各個(gè)功能模塊，之后對AD684等外設進(jìn)行配置；當AD684完成加速度計和陀螺儀的信號采集后，進(jìn)入定位解算程序，將結果存入緩沖區；最后向上位機輸出定位信息。系統軟件流程如圖4所示。

　　3 實(shí)驗結果

　　在實(shí)驗室條件下，將微型慣性測量裝置捆綁到人的腿部，分別進(jìn)行了被測人員下樓梯和繞環(huán)形樓道行走的跟蹤實(shí)驗。實(shí)驗結果證明，該裝置能正確跟蹤被測人員的每一步行蹤，且效果良好。圖5和圖6為兩種情況下該裝置輸出的被測人員的移動(dòng)軌跡。

　　4 結 論

　　本系統由TMS320F2812信號處理器、IDG－300型陀螺儀和KXR94加速度計組成了一個(gè)微型慣性測量裝置。該裝置可準確跟蹤運動(dòng)目標，具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)。鑒于該裝置的特點(diǎn)，還可應用于帶有運動(dòng)檢測和狀態(tài)感知的手機，以監視手機所在位置和被使用狀況；帶有硬盤(pán)保護系統的筆記本電腦和媒體播放器；可移動(dòng)游戲機，通過(guò)改善當前游戲界面和開(kāi)發(fā)新的基于運動(dòng)的游戲，提供更多互動(dòng)、直觀(guān)和趣味性強的游戲體驗；數碼相機，通過(guò)檢測位置、運動(dòng)和振動(dòng)而自動(dòng)幫助用戶(hù)更好地拍照等。