基于ARM的微型航姿參考系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)微小型無(wú)人飛行器的控制需要精度高、體積小、功耗低的姿態(tài)信息模塊，介紹了一種基于MEMS器件與ARM控制器的微型航向姿態(tài)參考系統(tǒng)(AHRS)，包括三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀、三軸磁力計(jì)和氣壓高度計(jì)，采用四元數(shù)法進(jìn)行姿態(tài)解算并給出了磁航向校正的方法，采用LabWindows/CVI開(kāi)發(fā)了上位機(jī)界面，能夠完成對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，實(shí)際測(cè)試中達(dá)到較為滿意的效果。

航向姿態(tài)參考系統(tǒng)(Attitude and Heading Reference System，AHRS)是一套由慣性測(cè)量元件(IMU)和地磁傳感器組成的三自由度姿態(tài)測(cè)量單元，能夠提供航向、橫滾和側(cè)翻等姿態(tài)信息，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)環(huán)境下載體實(shí)時(shí)姿態(tài)航向控制。它是微小型飛行器能夠按預(yù)定軌跡進(jìn)行自主巡航的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，也直接影響著微小型飛行器執(zhí)行任務(wù)的效果，尤其是在起飛、降落階段，航姿系統(tǒng)工作不正常，會(huì)對(duì)飛行安全造成重大威脅。由于微小型飛行器系統(tǒng)對(duì)體積、重量、功耗、成本的特殊要求，傳統(tǒng)的大中型飛行器上的龐大、昂貴的陀螺航向儀、無(wú)線電航向儀和磁力計(jì)等航向測(cè)量設(shè)備將不再適用，相應(yīng)的航向控制策略也無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因而需要研制基于低成本、低功耗、微小器件的航姿系統(tǒng)。

與慣性測(cè)量單元(IMU)相比，航姿參考系統(tǒng)(AHRS)包含了嵌入式的姿態(tài)數(shù)據(jù)解算單元與航向信息，主控制器只需通過(guò)串口讀取所需數(shù)據(jù)，這樣就大大減輕了主控制器的計(jì)算量及任務(wù)量。本文提出了一種低成本的、實(shí)用的、基于四元數(shù)的姿態(tài)獲取方法，最后通過(guò)試驗(yàn)對(duì)本設(shè)計(jì)的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，利用加速度計(jì)、陀螺儀測(cè)量微小型飛行器的空間三軸加速度、角速度，磁力傳感器可以測(cè)量因姿態(tài)變化而造成的磁場(chǎng)在其各測(cè)量軸上強(qiáng)度的變化，從而獲得偏航角，高度計(jì)感知大氣壓的變化而得到相對(duì)高度。所有數(shù)據(jù)由主控芯片通過(guò)I2C總線采集。

對(duì)于數(shù)據(jù)處理部分，本文簡(jiǎn)單介紹了姿態(tài)解算原理與方法，從四元數(shù)、方向余弦矩陣及歐拉角的關(guān)系著手，并給出了四元數(shù)運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程及其解法，從理論上闡明了該方案的可行性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控制芯片選用超小型封裝、Cortex—M3內(nèi)核的STM32F103T8，具有64KB Flash，20KB Rom，7通道DMA，7個(gè)定時(shí)器，可倍頻至72 MHz，基本滿足姿態(tài)解算所需的處理能力。各傳感器的數(shù)據(jù)中斷引腳與ARM控制器的IO相連，通過(guò)I2C總線，主控芯片可以在第一時(shí)間讀取各個(gè)傳感器完成AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，快速響應(yīng)姿態(tài)變化。同時(shí)引出了SWD調(diào)試接口，該接口只需4條線就可以對(duì)STM32F內(nèi)核進(jìn)行仿真調(diào)試，相對(duì)于常用的JTAG接口節(jié)節(jié)省了不少空間。

MPU—6050為全球首例整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，相對(duì)于多組件方案，有效避免了組合陀螺儀與加速器時(shí)之軸間安裝誤差的問(wèn)題，節(jié)省了安裝空間。MPU一6050的角速率量程為±250、±500、±1 000與±2 000°/s，可準(zhǔn)確跟隨快、慢動(dòng)作。加速度測(cè)量范圍為±2 g、±4 g、±8 g與±16 g。內(nèi)部自帶16位的數(shù)字溫度傳感器，方便對(duì)傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。高達(dá)400 kHz的I2C總線可保證系統(tǒng)測(cè)量的實(shí)時(shí)性。

HMC5883L包含最先進(jìn)的高分辨率HMC118X系列磁阻傳感器，并附帶霍尼韋爾專利的集成電路，包括放大器、自動(dòng)消磁驅(qū)動(dòng)器、偏差校準(zhǔn)，使輸出精度控制在1°～2°。12位I2C總線數(shù)字量輸，測(cè)量范圍為±1～8 Gs，滿足地磁場(chǎng)的測(cè)量要。

BMP180是一款高精度、超低功耗的壓力傳感器，壓力范圍300～1 100 hPa(海拔9 000～500 m)，低功耗模式下分辨率為0.06 hPa(0.5 m)，高線性模式下，最小分辨率為0.03 hPa(0.25 m)。

系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示，外形尺寸為39*28 mm，具有微型化的特點(diǎn)。

3 姿態(tài)解算原理與方法

常用的姿態(tài)解算方法有歐拉角法、方向余弦法、四元數(shù)法等。由于歐拉角法存在奇點(diǎn)，四元數(shù)取代方向余弦陣來(lái)描述姿態(tài)變化具有計(jì)算量小、精度高等優(yōu)點(diǎn)，而且它既代表一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，又可作為變換算子，因而被廣泛應(yīng)用于陀螺實(shí)用理論、捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航、機(jī)器人技術(shù)、多體系統(tǒng)力學(xué)及人造衛(wèi)星姿態(tài)角控制領(lǐng)域中。

假設(shè)某一坐標(biāo)系相對(duì)另一固定坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)可看作是該坐標(biāo)系圍繞某一轉(zhuǎn)軸進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)，用u表示之一轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)了θ角，則轉(zhuǎn)動(dòng)后的結(jié)果可用用四元數(shù)描述：

3.1 四元數(shù)、方向余弦矩陣及歐拉角的關(guān)系

四元數(shù)將三維空間和四維空間聯(lián)系起來(lái)，從而可以用四元數(shù)理論研究剛體的定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)問(wèn)題。因此，把機(jī)體坐標(biāo)系和導(dǎo)航坐標(biāo)系的三維矢量擴(kuò)展成四維，即

在進(jìn)行坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)變換時(shí)，原坐標(biāo)系通常是相對(duì)固定坐標(biāo)系做了多次旋轉(zhuǎn)，可以將所有單次旋轉(zhuǎn)形成的結(jié)果看作是首次與末次旋轉(zhuǎn)間的一個(gè)合成轉(zhuǎn)動(dòng)形成的結(jié)果，用合成四元數(shù)表示這樣的旋轉(zhuǎn)變換關(guān)系根據(jù)航向角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)動(dòng)順序，由導(dǎo)航坐標(biāo)系到機(jī)體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)四元數(shù)為

3.2 四元數(shù)運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程及其解法

與姿態(tài)矩陣對(duì)應(yīng)的四元數(shù)具有如下的微分方程關(guān)系：

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