基于MEMS传感器的飞行姿态测量系统设计

2016-12-08张兴超,王陆,赵烨

中国科技信息 2016年20期

飞行姿态的测量对于无人机的控制起着至关重要的作用，针对传统姿态测量方法在重量、体积、功耗等各方面不能满足小型无人机要求的问题，提出一种基于MEMS传感器的飞行姿态测量系统设计方案；在姿态解算过程中利用姿态融合算法对其姿态角进行了求解；给出了飞行姿态测量系统的硬件结构和软件设计流程；与XW5100传统惯性测量单元进行试验对比，在50s的测试时间内，滚转角和俯仰角的相对误差均在±1°范围内，满足系统设计需要。

近年来，随着无人机在科学研究方面的不断深入，其在民用领域得到了广泛应用。无人机飞行过程中，包括姿态角、三轴加速度和三轴角速率等所有姿态信息，都必须通过惯性测量单元实时反馈给飞行控制计算机，飞行控制计算机才能根据这些反馈的姿态信息实现无人机的控制。针对小型无人机而言，传统的姿态测量方法并不能满足其自身重量、体积、功耗等各方面的要求，而采用最新的微电子和MEMS（微机械电子系统）技术将微机械加速度计、微机械陀螺仪及外围辅助电路集成得到的微型惯性测量单元则很好的解决了这一问题。基于此，本文利用MEMS传感器设计了一种高测量精度且价格低、体积小的飞行姿态测量系统。它能有效避免XW5100、NAV440CA－200等传统惯性测量装置（IMU）在小型无人机应用中的不足，具有一定的实际意义和应用价值。

系统总体设计

结合小型无人机自身功能对系统结构的要求，本文采用模块化的设计思想对飞行姿态测量系统的总体结构进行了设计。其结构框图如图1所示。

系统主要包括上位PC机、CPU模块、微型惯性测量单元和外围辅助电路等几个部分。其中PC机与CPU模块之间通过RS－485通信模块进行通信，并利用ZCC220L－232电子罗盘输出的磁航向信息以提高系统测量精度。作为CPU模块的核心部件，本文选用的是由ST公司生产的STM32F103RBT6单片机。同时采用MPU6050作为微惯性测量单元，对姿态角、三轴加速度和三轴角速率等姿态信息进行测量，并通过I2C接口形式实现了数据输出。

系统硬件组成

CPU模块

作为STM32系列一款高性能的32位单片机，STM32F103RBT6采用了专门的Cortex－M3内核，能够满足嵌入式系统高性能、低功耗、低成本的应用要求。与传统ARM7HDMI内核相比，Cortex－M3内核在单周期乘法和除法、内置中断控制器等各个方面都进行了优化；同时结合Thumb－2指令集的使用，使得该系列产品的处理速度和性能显著提高、代码容量明显降低。另外，此种单片机具有丰富的外设接口，使其与其他模块及设备之间可以直接相连；从而有效减小电路结构、便于PCB板的制作、有利于节约成本。

微型惯性测量单元

图1 系统总体结构框图

飞行姿态测量系统的微型惯性测量单元选用的是MPU6050（运动处理传感器）。该传感器内部集成有一个可扩展的DMP （数字运动处理器）以及利用MEMS制成的3轴加速度计和3轴陀螺仪。其中DMP支持不同系统的运作时间偏差，并拥有磁力感测器校正演算技术，能够避免繁琐的滤波和数据融合。MPU6050与外部数字传感器之间可用I2C接口进行连接，扩展之后可输出一个9轴的信号。

惯性传感器可进行失调、灵敏度的校准及其在不同轴上的精确对准；另外，微处理器可对其进行动态补偿，以保证传感器的高精度输出。STM32F103RBT6与MPU6050的硬件电路连接如图2所示。

图2 STM32F103RBT6与MPU6050接口原理图

图3 系统软件流程图

姿态融合算法

通过对不同姿态算法的适用情况和优缺点进行比较，本系统最终采用一种姿态融合算法进行姿态解算。该算法在姿态解算过程中首先对载体运动状态进行判断，并对各种姿态算法进行数据融合；然后针对不同的运动状态选择不同的解算方法进行求解。当载体静止或匀速运动时，该算法直接利用电子罗盘和加速度计测得的姿态信息进行姿态矩阵的更新。当载体在进行变速运动而非旋转运动时，该算法就利用陀螺数据在加速度计上一周期解算值的基础上进行四元数解算。其求解方法选用的是四阶龙格—库塔法，求解公式如式（1）所示：

当载体在进行旋转运动时，首先采用二次曲线拟合角速度，并对其进行优化处理；得到优化后的旋转矢量三子样算法如式（2）所示：

系统软件设计

软件开发平台

本设计选用了Keil公司生产的能够支持ARM、Cortex－M3核处理器的RealView MDK作为系统的软件开发平台，并使用U－LINK1进行硬件仿真和调试。作为一种集成了RealView编译器与Keil μVision3开发环境的软件开发工具，RealView MDK具有强大的性能分析和Simulation设备模拟功能，同时能够自动配置启动代码。而硬件仿真器U－LINK1可以通过多种接口实现程序的高速下载及系统的仿真与调试。

软件模块设计

飞行姿态测量系统的软件部分也采用了模块化的设计方案，其工作流程如图3所示。

系统软件主要包括系统初始化过程、传感器数据采集和预处理、系统任务调度及辅助功能模块等几个部分。

将飞行姿态测量系统与XW5100传统惯性测量单元同向固定于同一水平面上，利用RS－485与PC机进行通信，并将输出结果通过PC机进行保存。系统上电后，手动改变水平面的倾斜度，最后将飞行姿态测量系统与XW5100输出的结果进行了对比，在50s的测试时间内，滚转角和俯仰角的相对误差均在±1°范围内，满足系统设计要求。