孫春虎，陳海波，方愿捷

　?。ǔ埠W(xué)院 機械與電子工程學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

       摘要：基于LabVIEW設(shè)計了一種飛行器加速度、角速度及姿態(tài)角測量平臺系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)采用計算機、6軸慣性導(dǎo)航模塊及USB轉(zhuǎn)TTL模塊；軟件系統(tǒng)基于LabVIEW編寫了飛行器加速度、角速度及姿態(tài)角的三維數(shù)據(jù)測量平臺系統(tǒng)。該系統(tǒng)還可應(yīng)用于船舶、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的加速度、角速度及姿態(tài)角的三維數(shù)據(jù)測量顯示。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)易于控制，能方便地觀察加速度、角速度及姿態(tài)角的三維數(shù)據(jù)曲線，并且當6軸慣性導(dǎo)航模塊改變狀態(tài)時，輸出曲線均能隨之改變并能快速達到新的穩(wěn)定狀態(tài)。

　　關(guān)鍵詞：6軸慣性導(dǎo)航模塊; USB轉(zhuǎn)TTL模塊;LabVIEW;串口通信

0引言

　　通過對飛行器的實時加速度(慣性)的測量，并進行積分，可獲得飛行器實時速度和實時位置數(shù)據(jù)。根據(jù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，從當前點的位置根據(jù)連續(xù)測得的運載體航向角和速度可推算出其下一點的位置，因而可連續(xù)測出飛行器的當前位置。實時角速度是飛行器研制過程中很重要的參數(shù)之一,它決定了飛行器能否穩(wěn)定飛行，因而在飛行器飛行時必須知道每一時刻的飛行器角速度。飛行器姿態(tài)角的測量意義在于確定飛行器的當前姿態(tài)，以便進行姿態(tài)控制［1］。

　　本文利用計算機、6軸慣性導(dǎo)航模塊及USB轉(zhuǎn)TTL模塊，結(jié)合Labview軟件實現(xiàn)飛行器加速度、角速度及姿態(tài)角的三維數(shù)據(jù)測量顯示。該系統(tǒng)還可應(yīng)用于船舶、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的加速度、角速度及姿態(tài)角的三維數(shù)據(jù)測量顯示。

　　實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)易于控制，能方便地觀察加速度、角速度及姿態(tài)角的三維數(shù)據(jù)曲線，并且當6軸慣性導(dǎo)航模塊改變狀態(tài)時，輸出曲線均能隨之改變并快速達到新的穩(wěn)定狀態(tài)。

1測量系統(tǒng)總體設(shè)計

　　測量系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

　　測量系統(tǒng)總體設(shè)計包括：計算機系統(tǒng)、USB轉(zhuǎn)TTL模塊及6軸慣性導(dǎo)航模塊。計算機系統(tǒng)主要是裝有LabVIEW軟件的計算機，USB轉(zhuǎn)TTL模塊用于計算機系統(tǒng)與6軸慣性導(dǎo)航模塊的相互通信，6軸慣性導(dǎo)航模塊用于測量實時加速度、角速度及姿態(tài)角。

2測量系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　測量系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括：USB轉(zhuǎn)TTL模塊設(shè)計和6軸慣性導(dǎo)航模塊設(shè)計。

　　2.1USB轉(zhuǎn)TTL模塊設(shè)計

　　由于USB串口采用的是RS232電平，為負邏輯，而6軸慣性導(dǎo)航模塊采用的是TTL電平，為正邏輯，因而要使兩者通信就必須進行電平轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)電平的一致性。USB轉(zhuǎn)TTL模塊原理圖［2］如圖2所示。

USB轉(zhuǎn)TTL模塊通過USB口的管腳1供電，管腳2、3用于電腦發(fā)送或接收RS232電平數(shù)據(jù)，P1口用于6軸慣性導(dǎo)航模塊發(fā)送或接收RS232電平數(shù)據(jù)。

　　2.26軸慣性導(dǎo)航模塊設(shè)計

　　6軸慣性導(dǎo)航模塊［3］采用高精度陀螺加速度計MPU6050，模塊內(nèi)部集成了姿態(tài)解碼器，結(jié)合動態(tài)卡爾曼濾波算法，姿態(tài)測量精度0.01°，穩(wěn)定性極高；數(shù)據(jù)輸出接口有串口和I2C口，I2C接口可以滿足高級用戶訪問底層測量數(shù)據(jù)的需求，但無姿態(tài)輸出，且所測數(shù)據(jù)均為X、Y、Z軸上的三維數(shù)據(jù)；波特率有115 200 bit/s和9 600 bit/s兩種模式，對應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出幀率分別為100 Hz和20 Hz。6軸慣性導(dǎo)航模塊管腳圖如圖3所示。

　　由圖3可知：管腳1~4用于串口數(shù)據(jù)通信，管腳5~8用于I2C口數(shù)據(jù)通信，本文選用串口數(shù)據(jù)通信。

3測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)包內(nèi)容和計算公式分析

　　測量模塊發(fā)送到計算機的每幀數(shù)據(jù)分為3個數(shù)據(jù)包，分別為加速度包、角速度包和姿態(tài)角包。由于這3個數(shù)據(jù)包分析方法相同，這里只以姿態(tài)角包為代表進行內(nèi)容和計算公式的分析。

　　姿態(tài)角包的內(nèi)容如表1所示。當計算機接收到連續(xù)兩個數(shù)據(jù)內(nèi)容為0x55、0x53時，則可判斷此時接收到的數(shù)據(jù)包為姿態(tài)角包；從下一個數(shù)據(jù)開始的連續(xù)6個數(shù)據(jù)為X、Y、Z軸上的三維數(shù)據(jù)；每維數(shù)據(jù)為16 bit，以低字節(jié)、高字節(jié)的次序傳送。

　　姿態(tài)角X、Y、Z軸上的三維數(shù)據(jù)（滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角）計算公式如式（1）、式（2）、式（3）所示。

　　由式（1）、（2）、（3）可以看出：計算滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角時都需要將高字節(jié)數(shù)據(jù)左移8 bit，然后與低字節(jié)按位或得到16 bit數(shù)據(jù)，再除以32 768，最后乘以180即可得到各自角度。若此時16 bit數(shù)據(jù)小于32 768時，則此時角度為正值；否則此時角度為負值。

4測量系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　測量系統(tǒng)軟件設(shè)計包括：前面板設(shè)計；串口讀寫設(shè)計；加速度、角速度和姿態(tài)角度讀取及計算設(shè)計；加速度、角速度和姿態(tài)角顯示設(shè)計。

　　4.1前面板設(shè)計

　　前面板設(shè)計［4］如圖4所示。 通過前面板可以對串口號、波特率、數(shù)據(jù)位等通信參數(shù)進行設(shè)置；加速度、角速度和角度輸出控制開關(guān)可以在波形圖表上顯示相關(guān)量的三維數(shù)據(jù)曲線；AX、AY、AZ為加速度三維數(shù)據(jù)顯示；WX、WY、WZ為角速度三維數(shù)據(jù)顯示；RX、RY、RZ為姿態(tài)角三維數(shù)據(jù)顯示。

　　4.2串口讀寫設(shè)計

　　VISA配置節(jié)點用于通信的初始化設(shè)置；VISA寫節(jié)點用于向6軸慣性導(dǎo)航模塊寫入初始化控制字，以選擇通信接口模式和波特率設(shè)定；延時500 ms是使6軸慣性導(dǎo)航模塊有足夠的時間完成初始化；VISA串口字節(jié)數(shù)節(jié)點用于統(tǒng)計輸入緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù)；VISA讀節(jié)點從讀取緩沖區(qū)讀取指定字節(jié)數(shù)的數(shù)據(jù)。串口讀寫設(shè)計［5~6］如圖5所示。

　　4.3加速度、角速度和姿態(tài)角讀取及計算設(shè)計

　　由于加速度、角速度和姿態(tài)角讀取及計算過程相似，這里只以姿態(tài)角為代表進行讀取和計算設(shè)計。姿態(tài)角讀取與計算設(shè)計［7］如圖6所示。

　　搜索1維數(shù)組函數(shù)用于找到角度包的包頭及在數(shù)組中的位置；然后就可以根據(jù)表1和式（3）求解角度的三維數(shù)據(jù)RX、RY、RZ；圖中子VI函數(shù)實現(xiàn)姿態(tài)角的正負值判別與處理。

　　4.4加速度、角速度和角度顯示設(shè)計

　　加速度、角速度和姿態(tài)角顯示設(shè)計的目的是：當這3個控制開關(guān)任何1個按下時，波形圖表應(yīng)顯示該控制量所對應(yīng)的三維數(shù)據(jù)曲線。如果同一時刻有兩個以上按鍵按下，那么在1個波形圖表上將顯示6條或9條數(shù)據(jù)曲線，造成相互重疊且不方便觀察，因此，任一時刻只允許1個控制按鍵按下，顯示3條曲線。程序框圖［8］如圖7所示。

5測量系統(tǒng)實驗結(jié)果及分析

　　實驗1：將串口設(shè)為COM4、波特率9 600 bit/s、數(shù)據(jù)位8位、停止位1位、無校驗位；根據(jù)系統(tǒng)總體圖連好硬件，并把6軸慣性導(dǎo)航模塊放在某一固定位置保持不動；分別打開加速度、角速度和姿態(tài)角開關(guān)，運行LabVIEW程序；所得到對應(yīng)的三維數(shù)據(jù)曲線如圖8~圖10所示。

　　實驗2：將串口設(shè)為COM3、波特率9 600 bit/s、數(shù)據(jù)位8位、停止位1位、無校驗位；根據(jù)系統(tǒng)總體圖連好硬件，并把6軸慣性導(dǎo)航模塊先放在某一固定位置；打開姿態(tài)角開關(guān)，然后運行LabVIEW程序；等輸出波形穩(wěn)定后，再把6軸慣性導(dǎo)航模塊放到另一固定位置。所得到姿態(tài)角的三維數(shù)據(jù)曲線如圖11所示。

　　由圖8可以看出，此時加速度三維數(shù)據(jù)AX、AY、AZ輸出波形還是很穩(wěn)定的，且AX≈1.04 m/s2、AY≈1.09 m/s2、AZ≈10.42 m/s2。

　　由圖9可以看出，此時角速度三維數(shù)據(jù)WX、WY、WZ輸出波形還是較穩(wěn)定的，且WX≈-1.71 rad/s、WY≈0.79 rad/s、WZ≈-1.16 rad/s。

　　由圖10可看出,此時姿態(tài)角三維數(shù)據(jù)RX、RY、RZ輸出波形是非常穩(wěn)定的，且RX≈5.80°、RY≈-5.54°、RZ≈0°。

　　由圖11可看出,當6軸慣性導(dǎo)航模塊位置改變時，姿態(tài)角三維數(shù)據(jù)RX、RY、RZ輸出波形也會快速改變并進入一種新的穩(wěn)定狀態(tài)，且穩(wěn)定時RX≈17.28°、RY≈-5.52°、RZ≈-2.46°。

　　由實驗1、實驗2可得出結(jié)論：該加速度、角速度及姿態(tài)角檢測系統(tǒng)還是很穩(wěn)定和精確的；且當6軸慣性導(dǎo)航模塊位置改變時，檢測系統(tǒng)也能快速響應(yīng)并顯示新的穩(wěn)定位置數(shù)據(jù)，具有很強的實時顯示特性。

6結(jié)論

　　本文所設(shè)計的飛行器加速度、角速度和姿態(tài)角測量顯示系統(tǒng)具有較強的穩(wěn)定性和精確性；并能對飛行器的位置變化產(chǎn)生快速響應(yīng)和實時顯示特性。所設(shè)計的飛行器加速度、角速度和姿態(tài)角測量系統(tǒng)具有一定的參考與應(yīng)用價值。

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