基于ARM的微型航姿參考系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

求解上述微分方程較常用的方法有泰勒展開法、比卡逼近法、四階-龍格庫塔法，考慮到算法的精度、速度與復(fù)雜度，本文選用了四階-龍格庫塔法。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

AHRS的軟件設(shè)計流程圖如圖3所示。其中傳感器初始化部分包括設(shè)置傳感器量程，以及陀螺儀的零飄檢測，氣壓高度計的初始標定。每當傳感器完成一次數(shù)據(jù)的采集，就會向ARM處理器發(fā)出中斷請求，然后ARM處理器通過I2C總線讀取數(shù)據(jù)并完成處理，以此來達到快速響應(yīng)的目的，另外氣壓高度計的轉(zhuǎn)換時間較慢，為了保證系統(tǒng)的實時性，本文采用定時的方式來讀取氣壓值。

串口發(fā)送的數(shù)據(jù)除了歐拉角外，還包括各個方向的角速度、加速度和地磁場強度以及陀螺常值漂移和磁航向誤差補償系數(shù)。由于串口數(shù)據(jù)發(fā)送量較大，因此將導航數(shù)據(jù)幀分段發(fā)送。導航數(shù)據(jù)幀的幀頭為0xAA、0x55，幀尾為0x55、0xAA，數(shù)據(jù)幀中每個物理量都是32位浮點型數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀格式如下圖4所示。

在實際環(huán)境中，地磁場不可避免會受到干擾磁場的影響，地磁場的測量會帶來一定的誤差，計算得到的磁航向角也會有偏差。為了保證航姿系統(tǒng)輸出較為精確的航向角，需對磁場干擾進行補償。

本文采用最小二乘擬合法，基本方法如下：選擇一干凈磁場環(huán)境，將電子羅盤置于轉(zhuǎn)臺上，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺使俯仰角為0°，將電子羅盤指北軸對準磁北，控制轉(zhuǎn)臺以一定度數(shù)間隔轉(zhuǎn)動一圈，存儲下每個點電子羅盤實際輸出的磁航向角;調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺使俯仰角不為0°，重復(fù)上一步的動作，并根據(jù)具體情況控制標定次數(shù)。上述過程可以稱之為定標過程，電子羅盤在定完標后使用時就可根據(jù)存儲器中的數(shù)據(jù)自動進行誤差補償。

這里討論的最小二乘擬合算法不同于以往的最小二乘誤差補償法，它不是僅僅考慮了水平面內(nèi)的誤差補償，還考慮了不同俯仰角下的情況。用電子羅盤作標定試驗時，由于有真實的航向角作參考，且標定數(shù)據(jù)點較多，最終擬合后的值相當于把安裝誤差、靈敏度等影響航向角精度的其他因素都考慮進去了，又因為擬合用到的數(shù)據(jù)預(yù)先已存放在存儲器中，所以做完最初的一輪標定試驗后，以后便可進行自動補償了，可見這樣的方法具有較強的實用價值。

5 算法驗證與實現(xiàn)

為了驗證AHRS的穩(wěn)定性及算法的有效性，本文用LabWindows/CVI設(shè)計了一個簡易的上位機程序，以便于AHRS通信，實時觀測姿態(tài)角的變化，如圖5圖6所示。實際測試中，系統(tǒng)歐拉角的更新速度達到30 kHz，已滿足微型飛行器的控制要求。

6 結(jié)論

航姿參考系統(tǒng)是微小型飛行器的自主飛行的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，本文采用常用的ARM與MEMS器件，結(jié)合四元數(shù)算法設(shè)計了一套針對微小型飛行器的AHRS系統(tǒng)，它具有體積小、價格低廉、精度高、實時性好的特點，從實際測試來看，設(shè)計方案是可行、可靠的。該系統(tǒng)具有模塊化的特點，也可方便應(yīng)用于其他需要對姿態(tài)測量的系統(tǒng)中。