淺析一種姿態(tài)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法

蘇瑞 鄧宇 孫瑜

摘 要 本文給出了一種小型姿態(tài)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，介紹了該系統(tǒng)的硬件框圖及數(shù)據(jù)解算。該系統(tǒng)基于MEMS器件搭建，采用模塊設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)小機(jī)動(dòng)情況下的高精度姿態(tài)測(cè)量。最后給出機(jī)載試驗(yàn)的驗(yàn)證結(jié)果。

關(guān)鍵詞 姿態(tài)系統(tǒng);傳感器

引言

在小型飛行器中，由于其本身的體積和重量都很小，要求飛行器導(dǎo)航系統(tǒng)上應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)測(cè)量設(shè)備既要保證一定的精度，又能盡量減小導(dǎo)航設(shè)備的體積和重量。傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易磨損、壽命短，激光陀螺和光纖陀螺性能穩(wěn)定、可靠性高，但其高昂的價(jià)格限制其在某些場(chǎng)合的應(yīng)用。相比之下，基于微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）器件而搭建的慣性系統(tǒng)具有體積小、功耗低、質(zhì)量輕、響應(yīng)快、靈敏度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，加以濾波和算法修正，可以達(dá)到在小型飛行器上的應(yīng)用要求。

1系統(tǒng)概述

本姿態(tài)系統(tǒng)采用基于MEMS三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)構(gòu)建的慣性系統(tǒng)，通過(guò)內(nèi)置高性能處理器，采用捷聯(lián)慣性姿態(tài)算法實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)角度測(cè)量。其中三軸加速度用于跟蹤靜態(tài)角度解算，三軸陀螺用于跟蹤動(dòng)態(tài)角度解算?？梢詼y(cè)量的姿態(tài)參數(shù)包括全姿態(tài)橫滾角、俯仰角、角速度和加速度等8路信號(hào)，通過(guò)RS232格式信號(hào)編碼輸出，并可通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器以模擬信號(hào)形式輸出各路信號(hào)，輸出信號(hào)與角度/角速度/加速度呈線性關(guān)系。系統(tǒng)組成框圖如圖1。

2工作原理

本姿態(tài)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括電源模塊、數(shù)字式慣性系統(tǒng)（包含IMU信息處理模塊和捷聯(lián)航姿解算模塊）、DA輸出模塊、殼體和接插件等功能單元。

2.1 電源模塊

電源模塊用于將機(jī)載28V電源轉(zhuǎn)換為信號(hào)處理電路和數(shù)字式慣性系統(tǒng)所需的15V供電，主要包括極性保護(hù)及干擾濾波兩部分，電路原理如圖2所示。極性保護(hù)電路采用二極管極性保護(hù)電路D2，選用1N4148型開(kāi)關(guān)二極管。電磁干擾濾波電路選用有關(guān)廠家推薦的典型參數(shù)。

2.2 數(shù)字式慣性系統(tǒng)

數(shù)字式慣性系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)置高精度6自由度慣性測(cè)量單元IMU實(shí)現(xiàn)載體的三軸向角速率和加速度測(cè)量。其中三軸向陀螺用以敏感載體運(yùn)動(dòng)角速度，經(jīng)信號(hào)預(yù)處理后，提供載體姿態(tài)計(jì)算原始信息，最終通過(guò)姿態(tài)四元數(shù)算法計(jì)算載體姿態(tài)信息。由于陀螺精度較低，漂移較大，長(zhǎng)時(shí)間工作不能保證測(cè)量精度。利用三軸向加速度計(jì)測(cè)量重力在載體三軸向上的分量，可以計(jì)算出載體相對(duì)于當(dāng)?shù)氐乩硭矫娴膬A角。由于加速度計(jì)測(cè)量精度較高，其角度解算精度也很高，因此可利用加速度計(jì)輸出作為觀測(cè)量，采用卡爾曼濾波器構(gòu)造一個(gè)可變?cè)鲆娴拈]環(huán)反饋系統(tǒng)，來(lái)修正因陀螺漂移造成的姿態(tài)誤差，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜態(tài)運(yùn)動(dòng)條件下載體姿態(tài)的高精度測(cè)量。工作原理如圖3所示。

2.3 D/A輸出模塊

D/A輸出模塊包括D/A轉(zhuǎn)換部分和信號(hào)放大、濾波部分。其中D/A轉(zhuǎn)換采用專(zhuān)用四通道轉(zhuǎn)換芯片AD5324，該芯片為12位單極性信號(hào)輸出，輸出信號(hào)范圍為0V～Vref。

為了提高放大電路的精度、方便調(diào)零和濾波電路的設(shè)計(jì)，放大電路采用了兩級(jí)放大，采用美國(guó)AD公司的OP297芯片。該芯片內(nèi)部集成兩個(gè)運(yùn)算放大器，具有低輸入偏置電壓、高開(kāi)環(huán)增益、低噪聲密度等突出特點(diǎn)。第一級(jí)為減法電路，由RefF02Bu及電阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生約0.94V基準(zhǔn)電壓Vref，反向放大2倍后與D/A輸出電壓值疊加，輸出-1.875V～1.875V電壓信號(hào)。第二級(jí)為反向放大、濾波電路，通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)定其增益為-2、通帶截止頻率為10Hz，從而把上級(jí)輸出放大成穩(wěn)定的-3.75V～+3.75VDC雙極性標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。原理圖如圖4所示。

2.4 軟件解碼算法

數(shù)字式慣性系統(tǒng)的輸出為RS232信號(hào)格式的數(shù)據(jù)包，需對(duì)其解碼運(yùn)算后再送入D/A轉(zhuǎn)換模塊。

數(shù)據(jù)包為37字節(jié)的十六進(jìn)制數(shù)，格式如圖5所示。依次為通信協(xié)議起始字符（數(shù)據(jù)包頭）、橫滾角、俯仰角、偏航角、三軸向角速率、三軸向加速度、溫度、時(shí)間、狀態(tài)信息和CRC校驗(yàn)碼。此處提取橫滾角、俯仰角、三軸向角速率和三軸向加速度共8路信號(hào)進(jìn)行標(biāo)度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為輸出電壓信號(hào)。

以橫滾角為例，解算公式為：

橫滾角=接收數(shù)據(jù)/（65536/量程）=接收數(shù)據(jù)*量程/65536? ? ? ? ?（1）

輸出電壓=橫滾角*（電壓量程/角度量程）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

由于采集數(shù)據(jù)為實(shí)數(shù)，編碼時(shí)采用補(bǔ)碼，首先要對(duì)補(bǔ)碼進(jìn)行范圍轉(zhuǎn)換，再根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的量程對(duì)數(shù)據(jù)范圍進(jìn)行截取限定。按照公式1、公式2進(jìn)行解算和標(biāo)度轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行CRC校驗(yàn)，如無(wú)誤碼，則輸出轉(zhuǎn)換的電壓，出現(xiàn)誤碼則丟棄該數(shù)據(jù)包，重新接收。

3試驗(yàn)驗(yàn)證

該姿態(tài)系統(tǒng)經(jīng)兩次機(jī)載試驗(yàn)，與機(jī)載地平儀的輸出信號(hào)進(jìn)行比對(duì)。

試驗(yàn)中平飛、懸停、機(jī)動(dòng)產(chǎn)品輸出正常，動(dòng)態(tài)跟隨性好，但在連續(xù)大機(jī)動(dòng)、加速-平飛-懸停段，產(chǎn)品輸出發(fā)散，誤差大。因此該系統(tǒng)僅能應(yīng)用在小機(jī)動(dòng)條件下。數(shù)據(jù)如圖6、圖7所示。

4結(jié)束語(yǔ)

由試驗(yàn)結(jié)果可知，該系統(tǒng)質(zhì)量輕、響應(yīng)快、靈敏度高，可滿足小機(jī)動(dòng)條件下的小型飛行器的姿態(tài)測(cè)量。該小型姿態(tài)系統(tǒng)目前已裝機(jī)使用。

參考文獻(xiàn)

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