基于MPU6050模塊的飛行姿態記錄系統設計

摘要：為了實現對固體燃料低空模型火箭飛行姿態自動記錄的需求，提出了一種基于MPU6050模塊的飛行姿態記錄系統設計方案，并完成系統的軟硬件設計。該系統的硬件部分主要用來采集加速度模擬量并進行存儲，軟件部分采用C語言進行編程，完成數據讀寫和上傳，數據處理借助上位機軟件進行，還原實際飛行姿態。實際應用表明，該系統具有成本低廉、靈敏度高的特點，達到了設計要求。

關鍵詞：傳感器;加速度;自動記錄;單片機

固體燃料低空模型火箭在發射原理和氣動結構上都與實用探空火箭一致，同時具備重量輕、安全性高和價格相對低廉的特點，因此在本科教學及學科競賽中被廣泛使用。

目前的固體燃料低空模型火箭(以下簡稱模型火箭)受到成本和運載能力的限制并未加裝任何傳感器，對于模型火箭發射后的飛行姿態大都通過視頻的方式記錄，但是受到模型火箭飛行速度快、拍攝視角固定等問題的限制，傳統的飛行姿態記錄方式效果并不理想，所得結果也缺乏進一步討論的價值，缺少量化的飛行姿態數據也制約了模型火箭本身的改進和發展。可見設計出一種可量化的飛行姿態記錄系統非常有必要。

MPU6050模塊有著高速、精確的加速度采集能力，提供SPI和IIC兩種通訊方案，能夠根據系統程序指令，同時進行線加速度和角加速度的采集工作;M24C08芯片可以存儲1024字節數據，支持IIC通訊協議，具有體積小、重量輕、數據穩定性強的特點;單片機以其較高的靈活性和穩定性廣泛應用在自動控制系統中。本系統既是三者的結合，由傳感器、存儲器和單片機部分構成，對固體燃料低空模型火箭飛行過程中的加速度進行實時采集和記錄，箭體返回后，配合上位機數據處理軟件，對加速度數據進行處理，最終還原出模型火箭的真實飛行姿態。

1 系統的整體結構及功能描述

系統以STC89C52RC單片機為主控芯片，結合MPU6050模塊和M24C08芯片，可對模型火箭飛行中的加速度進行實時采集并存儲，模型火箭回收后通過串口通訊將數據傳遞給上位機，并在相關軟件的輔助下進行數據處理，最終還原出模型火箭實際飛行姿態。MPU6050模塊解決了模型火箭高速飛行過程中加速度數字化的問題，并且具有采集速度快、精度高和可編程控制的特點，M24C08芯片具有支持IIC協議、重量輕和數據穩定性強的特點，雖然存儲容量較小，但鑒于模型火箭滯空時間短的特點，其數據存儲容量能夠滿足需求。系統結構框圖如圖1所示，本系統選擇STC89C52RC單片機為IIC通訊的主機，所有對話由單片機發起，單片機按照固定時間間隔詢問MPU6050模塊模型火箭實時加速度情況，MPU60 50做出應答后單片機向M24C08芯片發起對話，要求M24C08芯片記錄當前加速度數值。以上周期性采樣從模型火箭點火開始到飛行完成降落傘開啟結束不間斷進行，模型火箭回收后，進行數據上傳和處理工作。

2 系統硬件設計

MPU6050模塊、STC89C52RC單片機與M24C08芯片之間采用IIC通訊，其電路圖如圖2所示。本系統設定只有 STC89C52RC單片機可以發起對話，其余原件只能做出應答，其中STC 89C52RC單片機的P1.2管腳與IIC通訊線路的時鐘線(SCL)連接，P1.3管腳與數據線(SDA)連接，程序根據邏輯需要按照IIC通訊協議控制時鐘線和數據線的電平變化，以發起所需對話。MPU6050模塊和M24C08芯片都支持IIC通訊，分別將其時鐘管腳和數據管腳與通訊線路的相應管腳相連接，連接完成后的IIC通訊線路即可實現主從之間的問答式通訊。

實際使用中為了提高采集可靠性，在火箭放飛過程中單片機只固化采集存儲程序，待模型火箭回收后重新給單片機固化相應的數據讀取程序，數據才能被傳遞給上位機，但程序反復固化操作中往往會出現人員誤操作，引起M24C08芯片中的數據損壞，導致整個放飛失去意義，因此在M24C08的數據管腳設計了保護跳線，模型火箭回收后斷開保護跳線，待確認程序固化正確后接通跳線，上傳數據。

MPU6050模塊是以MPU6050芯片為核心配合必要的外圍器件形成的加速度測量模塊。其中MPU6050芯片整合了3軸陀螺儀和3軸線加速度計，極大的減小了包裝空間，同時避免了加速度計和陀螺儀組合時的軸間差問題，并能夠以400 kHz的速度提供16位精度的加速度數據。由于芯片本身對于外圍器件要求較高，因此本系統硬件設計中選用了MPU6050模塊，保證了數據的可靠性。在裝配中采取模塊與主板層疊的安裝方式，進一步減小了整個系統的體積，系統實物圖如圖3所示。

3 系統軟件設計及數據處理

系統程序設計包括數據采集存儲和數據讀取上傳兩部分構成，為了提高系統的可靠性，兩部分程序不同時固化在單片機中，在模型火箭發射時固化數據采集存儲程序，模型火箭回收后固化數據讀取上傳程序。數據采集存儲程序每隔0.1 s采集一組模型火箭加速度值，并存儲到M24C08芯片中，雖然MPU6050可以提供16位精度數據，但低八位數據抖動嚴重，所以系統只記錄高8位數據，這樣M24C08芯片可以記錄170組(每組6個)加速度數據，記錄持續時間為17s。模型火箭點火延時2 s，導軌飛行1秒，滯空飛行14 s，數據采集存儲程序工作時間可對3個過程實現完全覆蓋。數據讀取上傳程序讀取M24C08中的數據并以串口通訊方式傳遞給上位機。

數據處理分為數據接收、數據預處理和姿態還原3個部分，數據接收部分利用串口助手軟件接收下位機上傳的數據，同時將八進制數轉換為十進制。數據預處理主要是對數據進行定性分析：出現角加速度不為零的情況說明模型火箭飛行中出現旋轉;前2 s(模型火箭靜止狀態)出現X/Y軸線加速度不為零說明發射架水平度不符合要求;第3 s(模型火箭導軌飛行)開始出現X/Y軸線加速度不為零說明導軌裝配出現問題。在數據預處理階段未發現上述問題則進入姿態還原階段，該階段借助Matlab軟件對X/Y/Z三軸線加速度進行計算，還原模型火箭飛行姿態，算法公式如圖4所示。