基于MEMS的微型飞行器姿态测量系统*

曹晓棠，石云波，周兆英，刘绍鹏，郭 奇，赵 斐

(中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原030051)

0 引言

姿态测量在机器人、微型飞行器［1］的位姿控制以及人体的姿态跟踪等方面起着非常重要的作用。它为飞控系统等提供飞行数据，进而实现更好的稳定飞行和轨迹预测。传统的姿态测量系统主要由高精度陀螺和加速度计组成，体积较大，结构复杂。微机电系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)技术是将机械装置和集成电路集成在一个芯片内，具有体积小、质量轻、功耗低等优点。本文设计的MEMS姿态测量系统集成了加速度计与磁强计，利用C8051F进行数据采集，通过无线传输，将数据发送到上位机进行数据融合、姿态解算。整个电路体积小、质量轻、功耗低、性能可靠、使用方便。

1 测量原理

载体的姿态是相对参照系［3］而言的，求载体的姿态，即求载体坐标系相对于地理坐标系的姿态信息，其中涉及到坐标系的转换。

1.1 微加速度计测姿基本原理

加速度计是惯性导航和制导系统的基本测量元件之一，可以测载体的运动加速度，并对加速度进行积分，可得到载体的速度和位置等信息;也可以在倾斜检测中测量静态加速度。

这里以单轴加速度为例说明其测量原理。当加速度计的某一敏感轴与重力加速度方向相同时，其感应量对应g;当单轴加速度计的敏感轴与重力加速度方向相反时，其感应量为-g;当物体姿态改变时，加速度计敏感轴随物体转动角度，则其感受到的加速度为a，如图1所示。若定义θ角如图1所示，为单轴加速度敏感轴与水平面的夹角，敏感轴的测量值为a，如式(1)，θ角解算如式(2)

图1 加速度计测量原理图Fig 1 Diagram of measurement principle of accelerometer

1.2 微磁强计测姿基本原理

磁强计是用来测量磁感应强度的传感器，在姿态测量中多用于测量物体的方位角。建立“北—东—地”坐标系，如图2所示。H为地球磁场，忽略磁偏角(大约为5°)，磁倾角为β。已知地磁场的大小约为0.5～0.6 Gs，在水平面内分量与地球表面平行，指向地磁北极。初始位置定义:X，Y两轴位于平面内，X指向正北，Y指向正东。在图2中，当X，Y两轴在平面内顺时针转过ψ角时，在磁强计的X，Y轴上测得的磁场强度分别是Hx，Hy。根据磁强计测得的磁场值，即可获得航向角的信息如式(3)

图2 磁强计方位解算原理图Fig 2 Principle diagram of azimuth solution of magnetometer

2 硬件设计

本文所设计的无线姿态测量［4］系统包括电源模块、传感器模块、处理器模块、数据收发模块。系统结构如图3所示。

图3 硬件框图Fig 3 Block diagram of hardware

电源模块包括一个电源接口和一个电源稳压芯片，为处理器和各传感器提供3.3 V的电压，输入电压范围为2.6～12 V。

传感器模块中包含三轴加速度计和三轴磁强计。2只传感器均采用数字接口。数字线性加速度计满量程为±2，±4，±8，±16gn，10位 ADC，灵敏度为 256LSB/gn。磁强计的测量范围为±4 Gs，采用霍尼韦尔的各向异性磁阻技术，主要特点在于轴向高灵敏度和线性、固相结构、垂直轴间低灵敏度，用于测量地磁场的方向和磁力。它的分辨率可以达到7 mGs，并且内部采用12位ADC，以保证对磁场强度的精确测量。压力传感器输出绝对大气压和温度信号，气压分辨率在0.024 mbar，温度分辨率小于0.01℃。

微处理器［5］选用的是C8051F系列的单片机。它采用8051内核，包含ISP Flash存储器和JTAG接口，功耗低，运算速度可达50MIPS，具有24个IO口，且有多种类型标准数字接口，如 I2C，SPI，UART 等。

数据收发模块中，通过UART(universal asynchronous receiver/transmitter)与上位机通信。它是一种通用异步串行数据总线，该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。因为计算机内部采用并行数据，不能直接把数据发到Modem，必须经过UART整理才能进行异步传输。

3 软件设计

本系统的软件分为单片机和上位机两部分。

单片机主要完成各传感器的数据采集和数据传输，在silicon laboratories IDE环境下对程序进行编译和在线调试。本模块采用24.5 MHz的内部振荡器作为单片机时钟源，数据位8，停止位1，传感器数据采集频率为20 Hz。单片机的流程图为图4。

上位机主要来完成数据的接收、数据融合［6］和姿态显示。界面主要显示有水平仪、磁罗盘和高度仪表盘以及解算出的俯仰、滚转、航向角和气压、温度、高度的实时数值。

图4 单片机程序流程图Fig 4 Program flow chart of MCU

4 实验结果

对设计的无线姿态测量系统采用四元数［7］算法进行姿态解算，有效避免了利用欧拉角解算时的奇异点问题。对其进行全姿态的角度测量。把其固定到转台上，每隔5°记录一组3个姿态角的输出。图5为转台转动一周，转台转角与各姿态角间的关系曲线。

5 结论

本文利用三轴加速度计和三轴磁强计与压力传感器设计了基于MEMS的微型飞行器无线姿态去测量系统，实验结果表明:该MEMS姿态测量系统能够测量的俯仰角为±90°，横滚角为 ±180°，航向角为0°～360°。俯仰角和横滚角的静态测量误差为±0.8°，航向角的静态测量误差为±1.2°。

图5 静态误差测试结果Fig 5 Test results of static error

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