簡易陀螺儀慣性制導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪書文+肖琳+崔紅娟+周濤

摘 要：基于陀螺儀是慣性導(dǎo)航的核心，而慣性原理的導(dǎo)航系統(tǒng)是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，介紹如何將陀螺儀應(yīng)用在控制飛機(jī)飛行的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)上。首先搭建一個(gè)由傳感器、單片機(jī)、晶體放大驅(qū)動三個(gè)模塊組成的模型，再結(jié)合積分算法，從而達(dá)到自動調(diào)整飛機(jī)航向的目的。此設(shè)計(jì)可應(yīng)用在自動駕駛系統(tǒng)上，在飛機(jī)航線確定的前提下實(shí)現(xiàn)自動駕駛，大大減輕飛行機(jī)組的工作量。

關(guān)鍵詞：陀螺儀;慣性制導(dǎo)系統(tǒng);積分算法;調(diào)整航向

中圖分類號：TP393 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-1302（2014）11-00-02

0 ?引 ?言

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一門涉及精密機(jī)械、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子、光學(xué)、自動控制、材料等多種學(xué)科和領(lǐng)域的綜合技術(shù)[1]。應(yīng)用需求的增長是導(dǎo)航技術(shù)拓展新方向的源動力，現(xiàn)代科技的蓬勃發(fā)展支撐著慣性傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，推動著慣性導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于更寬廣的領(lǐng)域。而陀螺儀作為一種重要的慣性敏感器，是構(gòu)成INS（Inertial Navigation System）的基礎(chǔ)核心器件，INS的性能在很大程度上取決于陀螺儀的性能[2]。因此，隨著陀螺儀等慣性器件的完善，以慣性導(dǎo)航為基礎(chǔ)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)將成為未來導(dǎo)航系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。

1 ?陀螺慣性制導(dǎo)的發(fā)展趨勢

在慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中，利用激光來作為方位測向器的陀螺逐漸取代傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺已是大勢所趨，目前世界上許多國家都在研制激光陀螺，美國的霍尼威爾、利頓、斯佩里等公司均已取得明顯成績。對于不同的軍事需求，可應(yīng)用不同精度的陀螺[3]。例如：用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈、空間飛行器、自主式潛艇導(dǎo)航、高能激光武器的瞄準(zhǔn)、跟蹤等，需要漂移角速度小于0.5°/h的高度慣性陀螺;用于測定空中、地面、海上平臺的導(dǎo)航系統(tǒng)和姿態(tài)基準(zhǔn)系統(tǒng)等，則需要漂移角速率0.0015～0.5°/h的中等精度的慣性陀螺;隨著不同關(guān)鍵理論和技術(shù)突破的先后不同，發(fā)揮日益顯著的作用[4]。

2 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 ?系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由MPU-6050三軸陀螺儀角加速度傳感器，單片機(jī)，放大驅(qū)動模塊構(gòu)成。其中，MPU-6050三軸陀螺儀角加速度傳感器用于測出模型直升機(jī)偏離原來航向的角速度，它的信號由單片機(jī)模塊采集，再由單片機(jī)中的算法程序?qū)⒅鄙龣C(jī)偏離正常軌道的角速度轉(zhuǎn)換角度，然后將輸出信號用放大驅(qū)動模塊放大，產(chǎn)生能夠驅(qū)動電機(jī)的左控或右控信號。當(dāng)信號為左控信號時(shí)，右螺旋槳轉(zhuǎn)動;當(dāng)信號為右控信號信號時(shí)，左螺旋槳轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)直升機(jī)航向的實(shí)時(shí)調(diào)整。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 ?簡易陀螺儀慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的系統(tǒng)圖

2.1.1 ?傳感器模塊

傳感器模塊使用MPU-6050三軸陀螺儀角加速度傳感器，用于測出模型直升飛機(jī)偏離原來航向的角速度。MPU-6000為全球首例整合性6軸運(yùn)動處理組件，相較于多組件方案，減少了大量的包裝空間[5]。MPU-6000整合了3軸陀螺儀、3軸加速器。它的角速度全格感測范圍為±250、±500、±1 000與±2 000 °/sec （dps），可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動作。產(chǎn)品傳輸可透過最高至400 kHz的I2C或最高達(dá)20 MHz的SPI，在導(dǎo)航系統(tǒng)中擁有明顯的優(yōu)勢。

2.1.2 ?單片機(jī)模塊

系統(tǒng)中單片機(jī)采用STC公司的STC89C52。它是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。它使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但是做了很多的改進(jìn)使得該芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。非常適合低功耗，低成本的應(yīng)用。

2.2 ?電路設(shè)計(jì)

2.2.1 ?單片機(jī)電路

該模塊通過積分程序，將直升機(jī)偏離原來航向的角速度轉(zhuǎn)換為角度。從而驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，調(diào)整飛機(jī)的航向。

該模塊的硬件部分主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成，其中晶體振蕩器是由一個(gè)晶振和兩個(gè)瓷片電容組成的，它是單片機(jī)系統(tǒng)正常工作的保證;單片機(jī)的RST端口連接復(fù)位電路。它的作用是將單片機(jī)內(nèi)部各電路的狀態(tài)恢復(fù)到一個(gè)確定的初始值，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。VCC端口連接供電電路，單片機(jī)控制電路如圖2所示。

圖2 ?單片機(jī)控制電路圖

2.2.2 ?放大驅(qū)動電路

STC89C52的P1.0和P1.1端口與放大驅(qū)動模塊的輸入端相連，用來接收單片機(jī)傳輸?shù)男盘枴５菃纹瑱C(jī)模塊的輸出電流大約為10 mA，不足以驅(qū)動電機(jī)，使螺旋槳轉(zhuǎn)動，因此，需要用放大驅(qū)動模塊將輸出電流放大。放大驅(qū)動模塊的電路原理圖如圖3所示，此電路是根據(jù)H橋式電機(jī)驅(qū)動電路改進(jìn)而來。其中，4個(gè)與門同一個(gè)“使能”導(dǎo)通信號相接，這樣，用這一個(gè)信號就能控制整個(gè)電路的開關(guān)。而2個(gè)非門通過提供一種方向輸人，可以保證任何時(shí)候在H橋的同側(cè)上都只有一個(gè)三極管導(dǎo)通。電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)就只需要用三個(gè)信號控制：兩個(gè)方向信號和一個(gè)使能信號。如果DIR-L信號為0，DIR-R信號為1，并且使能信號是1，那么三極管Q1和Q4導(dǎo)通，電流從左至右流經(jīng)電機(jī);如果DIR-L信號變?yōu)?，而DIR-R信號變?yōu)?，那么Q2和Q3將導(dǎo)通，電流則反向流過電機(jī)。

圖3 ?放大驅(qū)動模塊電路圖

2.3 ?軟件算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)核心程序主要是角速度化為角度的積分算法程序構(gòu)成，積分算法核心代碼如下：

k=k+（（GetData（GYRO_ZOUT_H）/16.4）*dtt）/1 000

變量k初值為0，代表積分后的角度，變量dtt積分時(shí)間段，具體時(shí)間需要根據(jù)單片機(jī)執(zhí)行代碼速率進(jìn)行調(diào)整，系統(tǒng)里的值為10。函數(shù)GetData（GYRO_ZOUT_H）為獲取傳感器Z軸角速度的功能函數(shù)。

在mpu-6050模塊中，16位模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲在2個(gè)字節(jié)中，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)合成，合成后方可加入到核心算法中運(yùn)行，代碼程序如下：

int GetData（uchar REG_Address）

{

uchar H，L;

H=Single_ReadI2C（REG_Address）;

L=Single_ReadI2C（REG_Address+1）;

return （H<<8）+L;

}

積分算法執(zhí)行完成之后，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，改變單片機(jī)輸出端口狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)控制，代碼程序如下：

k=k+（（GetData（GYRO_ZOUT_H）/16.4）*dtt）/1000;

if（k>0）{zheng=1;

fu=0;}

else{zheng=0;fu=1;}

delay（100）;

}

3 ?結(jié) ?語

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過測試基本能夠?qū)崿F(xiàn)對模型直升機(jī)的航向控制，實(shí)現(xiàn)了簡易陀螺儀慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。結(jié)果證明，陀螺儀是一種能精確地確定運(yùn)動物體的方位的儀器，它是現(xiàn)代航空，航海，航天和國防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀器。在慣性制導(dǎo)中，陀螺儀是控制武器飛行姿態(tài)的重要部件，正由于它的平衡和空間定向特性，已成為了飛行設(shè)備中關(guān)鍵的部件，今后也會更多的應(yīng)用在飛行器的自主控制系統(tǒng)上。

參考文獻(xiàn)

[1]王巍.慣性技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].自動化學(xué)報(bào)，2013，39（6）：723-729.

[2]陳俊衡.陀螺與慣性制導(dǎo)[J].物理，1995（6）：348-354.

[3]梁閣亭，惠俊軍，李玉平.陀螺儀的發(fā)展及應(yīng)用[J].飛航導(dǎo)彈， 2006（4）：38-40.

[4]陳心中，徐潤君.陀螺慣性制導(dǎo)及其軍事應(yīng)用[J].大學(xué)物理，2004，23（3）：16-50.

[5]龍達(dá)峰，劉俊，張曉明，等.基于橢球擬合的三軸陀螺儀快速標(biāo)定方法[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2013（6）：1299-1305.

變量k初值為0，代表積分后的角度，變量dtt積分時(shí)間段，具體時(shí)間需要根據(jù)單片機(jī)執(zhí)行代碼速率進(jìn)行調(diào)整，系統(tǒng)里的值為10。函數(shù)GetData（GYRO_ZOUT_H）為獲取傳感器Z軸角速度的功能函數(shù)。

在mpu-6050模塊中，16位模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲在2個(gè)字節(jié)中，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)合成，合成后方可加入到核心算法中運(yùn)行，代碼程序如下：

int GetData（uchar REG_Address）

{

uchar H，L;

H=Single_ReadI2C（REG_Address）;

L=Single_ReadI2C（REG_Address+1）;

return （H<<8）+L;

}

積分算法執(zhí)行完成之后，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，改變單片機(jī)輸出端口狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)控制，代碼程序如下：

k=k+（（GetData（GYRO_ZOUT_H）/16.4）*dtt）/1000;

if（k>0）{zheng=1;

fu=0;}

else{zheng=0;fu=1;}

delay（100）;

}

3 ?結(jié) ?語

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過測試基本能夠?qū)崿F(xiàn)對模型直升機(jī)的航向控制，實(shí)現(xiàn)了簡易陀螺儀慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。結(jié)果證明，陀螺儀是一種能精確地確定運(yùn)動物體的方位的儀器，它是現(xiàn)代航空，航海，航天和國防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀器。在慣性制導(dǎo)中，陀螺儀是控制武器飛行姿態(tài)的重要部件，正由于它的平衡和空間定向特性，已成為了飛行設(shè)備中關(guān)鍵的部件，今后也會更多的應(yīng)用在飛行器的自主控制系統(tǒng)上。

參考文獻(xiàn)

[1]王巍.慣性技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].自動化學(xué)報(bào)，2013，39（6）：723-729.

[2]陳俊衡.陀螺與慣性制導(dǎo)[J].物理，1995（6）：348-354.

[3]梁閣亭，惠俊軍，李玉平.陀螺儀的發(fā)展及應(yīng)用[J].飛航導(dǎo)彈， 2006（4）：38-40.

[4]陳心中，徐潤君.陀螺慣性制導(dǎo)及其軍事應(yīng)用[J].大學(xué)物理，2004，23（3）：16-50.

[5]龍達(dá)峰，劉俊，張曉明，等.基于橢球擬合的三軸陀螺儀快速標(biāo)定方法[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2013（6）：1299-1305.

變量k初值為0，代表積分后的角度，變量dtt積分時(shí)間段，具體時(shí)間需要根據(jù)單片機(jī)執(zhí)行代碼速率進(jìn)行調(diào)整，系統(tǒng)里的值為10。函數(shù)GetData（GYRO_ZOUT_H）為獲取傳感器Z軸角速度的功能函數(shù)。

在mpu-6050模塊中，16位模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲在2個(gè)字節(jié)中，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)合成，合成后方可加入到核心算法中運(yùn)行，代碼程序如下：

int GetData（uchar REG_Address）

{

uchar H，L;

H=Single_ReadI2C（REG_Address）;

L=Single_ReadI2C（REG_Address+1）;

return （H<<8）+L;

}

積分算法執(zhí)行完成之后，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，改變單片機(jī)輸出端口狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)控制，代碼程序如下：

k=k+（（GetData（GYRO_ZOUT_H）/16.4）*dtt）/1000;

if（k>0）{zheng=1;

fu=0;}

else{zheng=0;fu=1;}

delay（100）;

}

3 ?結(jié) ?語

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過測試基本能夠?qū)崿F(xiàn)對模型直升機(jī)的航向控制，實(shí)現(xiàn)了簡易陀螺儀慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。結(jié)果證明，陀螺儀是一種能精確地確定運(yùn)動物體的方位的儀器，它是現(xiàn)代航空，航海，航天和國防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo)航儀器。在慣性制導(dǎo)中，陀螺儀是控制武器飛行姿態(tài)的重要部件，正由于它的平衡和空間定向特性，已成為了飛行設(shè)備中關(guān)鍵的部件，今后也會更多的應(yīng)用在飛行器的自主控制系統(tǒng)上。

參考文獻(xiàn)

[1]王巍.慣性技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].自動化學(xué)報(bào)，2013，39（6）：723-729.

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[3]梁閣亭，惠俊軍，李玉平.陀螺儀的發(fā)展及應(yīng)用[J].飛航導(dǎo)彈， 2006（4）：38-40.

[4]陳心中，徐潤君.陀螺慣性制導(dǎo)及其軍事應(yīng)用[J].大學(xué)物理，2004，23（3）：16-50.

[5]龍達(dá)峰，劉俊，張曉明，等.基于橢球擬合的三軸陀螺儀快速標(biāo)定方法[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2013（6）：1299-1305.