介紹

傳統的姿態測量係統采用捷聯式慣導係統（SINS），xiangbipingtaishiguandaoxitongeryan

，qijuyoutijixiangduigengxiao
，chengbenxiangduigengdi，yiyuanzhuangheweihubingqiekekaoxinggenggaodeyoudian，yinci，jielianguandaoxitongzaifeixingqidaohanghezitaiceliangzhongdedaoleguangfandeyanjiuheyingyong。

raner，chuantongdezitaiceliangxitongbaokuojielianshiguandaopubianjuyoutijida

，zhongliangda
，fuzachengdugaodengtedian，shidechuantongdezitaiceliangxitongwufayingyongyurichangyingyong。tongshi，chuantongdejielianguandaoxitongyibanxuyaoyigexunbeixitongdefuzhulaihuodezaitidefangweijiao
，danshichuantongdexunbeixitongduoweijiyutuoluodexitong，qitijihefuzaduyeshirichangyingyongsuowufajieshoude。kejian，duiyuduitijijuyouyangexianzhideqianrushixitongeryan
，xuyaoyanzhiyizhongxiaoxingdezitaiceliangxitonglaimanzuqizitaiceliangdeyaoqiu。MEMS技術和MRjishudekuaisufazhan，weiyanzhizhezhongdichengben，xiaotiji，gaojichengdudezitaiceliangxitongtigonglekeneng，congerkeyishideduitijihechengbenmingandexitongjuyouzitaiceliangdenengli。

本文論述了由MEMS加速度計和MR傳感器組成的姿態測量係統。在本係統中，三軸MEMS加速度計用來獲得載體基於重力向量的俯仰角和橫滾角，而三軸MR傳感器的輸出經過以俯仰角和橫滾角為參數的矩陣變換後可以給出載體相對於地磁北極的方位角。

硬件描述

本論文論述的姿態測量係統主要由三軸MEMS加速度計
，三軸MR傳感器，ARM內核微控製器和用於顯示結果的LCD顯示器組成。

微處理器

本係統選用的微處理器為Atmel公司的At91sam7s64 ARM微控製器。At91sam7s64是基於32位ARM內核的低管腳數高性能並且內置Flash的微控製器。其內部集成了64k字節Flash和16k字節的SRAM以及大量的外設接口，例如兩個USART接口，可以分別用來與PC機通信和控製串口LCD屏顯示測量結果。其具有一個10位的SAR逐次逼近式A/D轉換器，並具有8選1模擬複用器。A/D轉換器的采樣率可以達到384ksps.At91sam7s64的ARM內核的最高運行頻率可以達到55MHz

，0.9Mips/MHz，以上的特點使At91sam7s64非常適合於低成本體積敏感的姿態測量係統。

硬件結構

本係統的硬件結構如圖2所示。由於At91sam7s64具有片上A/D轉換器而且具有8選1模擬複用器，使得MMA7620Q和HMC2003可以直接與微控製器相連而不必外加A/D轉換器和複用器，不僅降低了係統的成本和體積
，提高了係統的集成度，同時減少了誤差源，提高了精度。經過A/D轉換的測量數據經過ARM核的處理後

，被送到串口LCD並通過RS232接口送入PC機進行進一步的分析。

 
圖1：係統硬件結構

姿態參數的獲得

在本係統中，三軸加速度計和三軸MR傳感器都以以下的方式安裝於電路板上：它們的X軸平行於係統的橫軸指向右，Y軸平行於係統的縱軸指向前

，X
、Y
、Z軸定義為右手坐標係統
，如圖2所示。

 
圖2：係統坐標

俯仰角與橫滾角的獲得

為了獲得係統基於重力向量的俯仰角θ和橫滾角φ，需要使用加速度計的三個輸出：Ax， Ay， Az.俯仰角和橫滾角可以通過以下公式（1）和公式（2）計算得到。對於微控製器
，函數中的arctan（x）需要通過以下公式（3）的泰勒展開後才能計算得到。

 

方位角的獲得

為了獲得係統相對於當地地磁向量的方位角，需要使用MR傳感器的三個輸出Mx， My， Mz.當係統置於水平狀態時（俯仰角和橫滾角都為0）時，方位角ψ可以由公式（4）直接給出，但是在大多數情況下

，係統並不是工作在水平狀態，此時地磁場的豎直分量將會影響Mx和My的值，因此不能直接由公式（4）獲(huo)得(de)相(xiang)對(dui)於(yu)地(di)磁(ci)向(xiang)量(liang)的(de)方(fang)位(wei)角(jiao)。為(wei)了(le)在(zai)所(suo)有(you)情(qing)況(kuang)下(xia)都(dou)能(neng)獲(huo)得(de)正(zheng)確(que)的(de)方(fang)位(wei)角(jiao)，必(bi)須(xu)將(jiang)俯(fu)仰(yang)角(jiao)和(he)橫(heng)滾(gun)角(jiao)考(kao)慮(lv)在(zai)內(nei)，即(ji)必(bi)須(xu)通(tong)過(guo)以(yi)俯(fu)仰(yang)角(jiao)和(he)橫(heng)滾(gun)角(jiao)為(wei)參(can)數(shu)的(de)坐(zuo)標(biao)變(bian)換(huan)
，將(jiang)測(ce)得(de)的(de)（Mx， My， Mz）向量變換為與載體坐標係有相同方位角的水平坐標係下的向量（M‘x ， M’y， M‘z）
，其變換矩陣如公式（5）。

 

至此，係統的3個姿態參數全部由公式（1）（2）（7）給出。

誤差分析

本文論述的姿態測量係統主要由MEMS加速度計和MR傳感器組成。由於現有MRMS技術的限製，其精度和傳統的加速度計還有一定的差距，這將給所得到的俯仰角和橫滾角帶來更大的誤差。MR傳(chuan)感(gan)器(qi)是(shi)對(dui)磁(ci)場(chang)敏(min)感(gan)的(de)器(qi)件(jian)

，當(dang)其(qi)被(bei)放(fang)置(zhi)在(zai)鐵(tie)磁(ci)環(huan)境(jing)中(zhong)的(de)時(shi)候(hou)，地(di)球(qiu)的(de)磁(ci)場(chang)將(jiang)受(shou)到(dao)附(fu)近(jin)鐵(tie)磁(ci)環(huan)境(jing)的(de)扭(niu)曲(qu)
，這(zhe)將(jiang)導(dao)致(zhi)方(fang)位(wei)角(jiao)的(de)誤(wu)差(cha)。然(ran)而(er)這(zhe)種(zhong)由(you)於(yu)附(fu)近(jin)鐵(tie)磁(ci)物(wu)質(zhi)的(de)影(ying)響(xiang)而(er)引(yin)入(ru)的(de)誤(wu)差(cha)是(shi)可(ke)以(yi)補(bu)償(chang)的(de)。

結論

使用MEMS加速度計和MR傳感器構成的姿態測量係統有效的降低了整個係統的體積、成(cheng)本(ben)以(yi)及(ji)功(gong)耗(hao)，使(shi)得(de)嵌(qian)入(ru)式(shi)係(xi)統(tong)也(ye)可(ke)以(yi)引(yin)入(ru)姿(zi)態(tai)測(ce)量(liang)的(de)功(gong)能(neng)。本(ben)文(wen)論(lun)述(shu)的(de)姿(zi)態(tai)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)非(fei)常(chang)適(shi)用(yong)於(yu)汽(qi)車(che)導(dao)航(hang)，機(ji)器(qi)人(ren)姿(zi)態(tai)測(ce)量(liang)等(deng)領(ling)域(yu)。本(ben)文(wen)的(de)創(chuang)新(xin)點(dian)在(zai)於(yu)使(shi)用(yong)MEMS和MR元件構造了應用於嵌入式係統中的姿態測量係統
，並詳細給出了各姿態參數的計算方法。