基于安芯一號的六軸姿態控制板設計

　　一、項目設計背景及概述

　　在許多工程應用中，都需要測量載體與水平面的傾斜角度。對于導航定位系統來說，姿態信息更是一個重要參數。本系統主要目標是在動態情況下通過姿態融合得到精確的俯仰角和橫滾角。首先采用加速度傳感器測量傾斜角度，并對測量角進行數據預處理以減少誤差，其次加入陀螺儀進行姿態融合，主要方法為卡爾曼濾波，得到系統的橫滾角和俯仰角。該方法廣泛應用于工程中，技術成熟，姿態融合效果良好。

　　慣性測量單元在飛行器制造、傳感器技術領域都能見其身影，應用前景十分廣泛。一般的，一個IMU包含了三個單軸的加速度計和三個單軸的陀螺，加速度計檢測物體在載體坐標系統獨立三軸的加速度信號，而陀螺檢測載體相對于導航坐標系的角速度信號，測量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態。在導航中用著很重要的應用價值。

　　為了提高可靠性，還可以為每個軸配備更多的傳感器。一般而言IMU要安裝在被測物體的重心上。IMU大多用在需要進行運動控制的設備，如汽車和機器人上。也被用在需要用姿態進行精密位移推算的場合，如潛艇、飛機、導彈和航天器的慣性導航設備等。利用三軸加速度計，受外力加速度影響很大，在運動/振動等環境中，輸出方向角誤差較大。加速度測量的是重力方向，在無外力加速度的情況下，能準確輸出ROLL/PITCH兩軸姿態角度，并且此角度不會有累積誤差，在更長的時間尺度內都是準確的。但是加速度傳感器測角度的缺點是加速度傳感器實際上是用MEMS技術檢測慣性力造成的微小形變，而慣性力與重力本質是一樣的，所以加速度計就不會區分重力加速度與外力加速度，當系統在三維空間做變速運動時，它的輸出就不正確了。

　　二、項目設計原理

　　1、 原理概述

　　陀螺儀輸出角速度，是瞬時量，角速度在姿態平衡上是不能直接使用，需要角速度與時間積分計算角度，得到的角度變化量與初始角度相加，就得到目標角度，其中積分時間Dt越小，輸出角度越精確，但陀螺儀的原理決定了它的測量基準是自身，并沒有系統外的絕對參照物，加上Dt是不可能無限小，所以積分的累積誤差會隨著時間流逝迅速增加，最終導致輸出角度與實際不符，所以陀螺儀只能工作在相對較短的時間尺度內。

　　所以在沒有其它參照物的基礎上，要得到較為真實的姿態角，就要利用加權算法揚長避短，結合兩者的優點，擯棄其各自缺點，設計算法在短時間尺度內增加陀螺儀的權值，在更長時間尺度內增加加速度權值，這樣系統輸出角度就接近真實值了。

　　2、 硬件設計原理

　　2.1加速度計模塊

　　圖2.1為加速度傳感器模塊電路圖。加速度計選用Analog Device（亞德諾半導體）公司的ADXL345，該傳感器是一款三軸數字加速度傳感器，其感應精度可達3.9mg/LSB，傾角測量典型誤差小于1°，且感知加速度的最大范圍是 16g。具有超低功耗、采樣速率可調、測量模式可調等特點。在實際使用過程中，一般設置感應范圍為 2g，感應精度為3.9mg/LSB，這樣可以提高輸出數據的穩定性，滿足系統加速度范圍和精度要求。它可以在傾斜檢測應用中測量靜態重力加速度，還可以測量運動或者沖擊導致的動態加速度。

　　圖2.1 加速度計模塊原理圖

　　2.2陀螺儀模塊

　　陀螺儀采用InvenSense（應美盛）公司的ITG3205。圖2.2為陀螺儀模塊的原理圖設計。該芯片用于測量繞三軸轉動的角速度值，是一個數字輸出的將X、Y、Z三軸角速度傳感器整合在單一電路上的三軸陀螺儀。其特性在于運用了三個16位A/D轉換器來數字化陀螺儀輸出端，有程控的內建低通濾波器帶寬，以及快速模式的IIC接口。除此之外，還有內建溫度傳感器以及精準差僅為2%的內建震蕩設計。

　　圖2.2 陀螺儀模塊原理圖

　　陀螺儀可以測量載體角速度，具有高動態特性，但是它是一個間接測量器件，它測量的是角度的導數（角速度），所以必須要將角速度測量值對時間積分才能得到角度。

　　3、 軟件設計原理

　　系統上電后完成一系列初始化步驟后便進入工作狀態。分別對三軸加速度計、三軸陀螺儀進行數據的采集與補償，通過加速度計與陀螺儀的姿態融合，得出載體在靜態與動態條件下都準確的俯仰角和橫滾角。系統軟件采用模塊化設計，根據不同的功能采用不同的程序塊，可以簡化編程，使系統結構清晰，同時，可以增加代碼的重用性，便于實現功能擴展。

　　三、項目設計框圖

　　1、硬件設計框圖

　　圖3.1 硬件設計框圖

　　2、軟件設計框圖

　　圖3.2 軟件設計流程圖

　　3、姿態融合算法框圖

　　圖3.3 卡爾曼濾波結構框圖

　　四、測試結果

　　項目達到的關鍵硬件指標

　　4.1系統實物圖片

　　PCB正面圖：

　　PCB反面圖：

　　項目實物圖：

　　4.2姿態融合效果分析

　　系統采用卡爾曼濾波函數進行加速度計與陀螺儀的姿態融合。圖4.1所示為姿態融合前的系統水平時橫滾角輸出曲線圖，即僅由加速度計ADXL345計算得到的角度。該組實驗在動態條件下完成，即保持載體與水平面角度不變的前提下（在此測試橫滾角，并取角度值為0°），人為給系統施加外力作用，使系統受到外部加速度干擾，同時記錄數據繪制曲線。從圖中可以看出，在系統受到外力作用下，數據精確度大大降低。圖中最大誤差達到50°。

　　圖4.1 姿態融合前橫滾角輸出曲線圖

　　圖4.2所示為姿態融合后的系統水平時橫滾角輸出曲線圖。從圖中可以看出，即使系統受到外部加速度的干擾，仍能保持橫滾角在0°及0°附近很小的范圍內波動。最大誤差僅有1°。姿態融合算法有效減小了動態條件下的系統誤差。

　　圖4.2 姿態融合后橫滾角輸出曲線圖

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