《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于KXR94加速度計(jì)的微型慣性測(cè)量裝置設(shè)計(jì)
摘要: 本文設(shè)計(jì)了一個(gè)高度集成、低功耗及低成本的微型慣性測(cè)量裝置,可精確地測(cè)算出載體的航向角、俯仰角及位置等信息,為運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)打下了基礎(chǔ),也可廣泛地應(yīng)用于民用航空、車(chē)輛控制、機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化、探礦、玩具等領(lǐng)域。
Abstract:
Key words :

  微型慣性測(cè)量裝置MIMU(Micro Inertial Measure-ment Unit)以其尺寸小、成本低等特點(diǎn)不僅在傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域得到應(yīng)用,而且在商業(yè)領(lǐng)域占據(jù)了一定的市場(chǎng)。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)高度集成、低功耗及低成本的微型慣性測(cè)量裝置,可精確地測(cè)算出載體的航向角、俯仰角及位置等信息,為運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)打下了基礎(chǔ),也可廣泛地應(yīng)用于民用航空、車(chē)輛控制、機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化、探礦、玩具等領(lǐng)域。

  1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

  1.1 慣性測(cè)量器件選擇

  根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的特征和實(shí)驗(yàn)本身的特點(diǎn),微慣性測(cè)量裝置應(yīng)該滿足下列設(shè)計(jì)要求:體積小、質(zhì)量輕、功耗低、采集頻率和采集精度高、成本低以及抗沖擊能力強(qiáng)。為了實(shí)現(xiàn)這些需求,微慣性測(cè)量裝置的硬件主要由微慣性傳感器單元MEMS和微處理器單元DSP組成。微慣性傳感器單元由微機(jī)械陀螺和微加速度計(jì)組成,可精確測(cè)量載體的3個(gè)軸向角速度信息和3個(gè)軸向加速度信息。

  加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航與慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的一類(lèi)重要敏感元件,用來(lái)測(cè)量運(yùn)載體相對(duì)慣性空間運(yùn)動(dòng)的加速度,經(jīng)過(guò)積分和相關(guān)的運(yùn)算就能得到載體空間的位置。加速度計(jì)是一個(gè)直接測(cè)量元件,它能連續(xù)測(cè)量運(yùn)載體的加速度,然后經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)解算出運(yùn)載體速度、經(jīng)緯度及航程等。本系統(tǒng)采用的KXR94加速度計(jì)芯片是Kionix公司生產(chǎn)的三軸加速度計(jì)。該加速度計(jì)內(nèi)部已經(jīng)對(duì)溫度和電壓波動(dòng)引起的偏差進(jìn)行了設(shè)計(jì)補(bǔ)償,因此由于電壓和溫度引起的偏差較小。該器件測(cè)量范圍為±2 g,靈敏度系數(shù)為560 mV/g,非線性度為0.1%,零加速度漂移為±150 mg;2.8~3.3 V均可工作;功耗很低,靜態(tài)電流約1.1 mA。其原理圖如圖1所示。

加速度計(jì)原理圖

  陀螺儀用來(lái)測(cè)量載體的運(yùn)動(dòng)角速度。本設(shè)計(jì)中選用InvenSense公司生產(chǎn)的IDG-300雙軸陀螺,其精度穩(wěn)定在±3°/s以?xún)?nèi)需要200 ms。該器件采用3.0~3.3 V供電;測(cè)量偏航角速度的范圍是±500°/s,靈敏度為2 mV/(rad·s-1),零位輸出電壓為1.5 V;通過(guò)外部電阻和電容可分別設(shè)定測(cè)量角速度的范圍、帶寬及零位輸出電壓。其原理圖如圖2所示。

陀螺儀原理圖

  此陀螺未對(duì)內(nèi)部溫度和電壓引起的波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償,在設(shè)計(jì)中要充分考慮。可從兩個(gè)方面來(lái)彌補(bǔ)其不足:①在電路板布局設(shè)計(jì)時(shí),陀螺和加速度計(jì)芯片要盡量遠(yuǎn)離電路板上電源、串口等發(fā)熱和電壓波動(dòng)大的芯片;②在軟件算法設(shè)計(jì)時(shí),運(yùn)用陀螺的溫度漂移系數(shù)對(duì)其進(jìn)行修正。

  1.2 硬件電路設(shè)計(jì)

  DSP采用TI公司發(fā)布的C2000系列32位定點(diǎn)信號(hào)處理器TMS320F2812。其整合了高性能的DSP內(nèi)核、128 KB的片上Flash存儲(chǔ)器、16路12位A/D轉(zhuǎn)換器以及SCI串行通信接口。傳感器單元所測(cè)得的模擬量經(jīng)集成在DSP片上的A/D轉(zhuǎn)換器采集寫(xiě)入片上Flash。所有信息在通過(guò)DSP的捷聯(lián)慣導(dǎo)處理后得到被測(cè)目標(biāo)的位置信息。最終結(jié)果通過(guò)RS232直接發(fā)送至上位機(jī),并顯示輸出。

  在系統(tǒng)的構(gòu)建中使用了2個(gè)IDG-300型陀螺儀,其中一個(gè)軸向的角度測(cè)量可以作為冗余設(shè)計(jì)。又因算法要求對(duì)加速度計(jì)和陀螺模擬信號(hào)的采集嚴(yán)格控制在同一時(shí)刻,故選用了2片AD684采樣保持放大器。AD684的每個(gè)采樣通道可以在1μs內(nèi)完成采樣,而信號(hào)的損失率不高于0.01 μV/μs,且擁有很好的線性度和交流特性。AD684的控制信號(hào)為S/Hn,將此引腳拉低則進(jìn)行采樣保持。系統(tǒng)將2片AD684的S/Hn信號(hào)連接到DSP的1個(gè)I/O引腳上,這樣可將所有采集信號(hào)采樣保持,為DSP采集做好準(zhǔn)備。圖3是慣性測(cè)量裝置的硬件連接圖。DSP外設(shè)部分采用3.3 V供電,故其SCI引腳的信號(hào)特性為T(mén)TL電平。在實(shí)際使用時(shí)通常需要將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平。系統(tǒng)中選用MAX3232將DSP的SCI接口信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)的RS232信號(hào)進(jìn)行通信。這是因?yàn)镽S232的工作范圍是-15~+15 V。如此寬的范圍即使存在電壓衰減,傳輸信號(hào)也可以被可靠地識(shí)別;而一般情況下傳輸線路越長(zhǎng),衰減就越嚴(yán)重。因此,在同等情況下RS232更能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸。為了使裝置實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸,同時(shí)考慮到RS232接口的通用性,本系統(tǒng)選擇MAX3232用于與上位計(jì)算機(jī)通信。

慣性測(cè)量裝置的硬件連接圖

  2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

  慣性導(dǎo)航系統(tǒng)屬于一種推算導(dǎo)航方式,即根據(jù)連續(xù)測(cè)得的運(yùn)載體航向角和速度,從一已知點(diǎn)的位置推算出其下一點(diǎn)的位置,因而可連續(xù)測(cè)出運(yùn)動(dòng)體的當(dāng)前位置。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的陀螺儀用來(lái)形成一個(gè)導(dǎo)航坐標(biāo)系,使加速度計(jì)的測(cè)量軸穩(wěn)定在該坐標(biāo)系中,并給出航向和姿態(tài)角;加速度計(jì)用來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)體的加速度,經(jīng)過(guò)對(duì)時(shí)間的一次積分得到速度,再經(jīng)過(guò)對(duì)時(shí)間的一次積分即得到距離。故該裝置在測(cè)量載體角速度與加速度信息的基礎(chǔ)上,能夠確定運(yùn)載體的位置和地球重力場(chǎng)參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)載體的多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息的測(cè)量。本系統(tǒng)在DSP復(fù)位以后,首先進(jìn)行芯片的初始化,配置PLL、ADC、GPIO、SCI等各個(gè)功能模塊,之后對(duì)AD684等外設(shè)進(jìn)行配置;當(dāng)AD684完成加速度計(jì)和陀螺儀的信號(hào)采集后,進(jìn)入定位解算程序,將結(jié)果存入緩沖區(qū);最后向上位機(jī)輸出定位信息。系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

 

系統(tǒng)軟件流程

  3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

  在實(shí)驗(yàn)室條件下,將微型慣性測(cè)量裝置捆綁到人的腿部,分別進(jìn)行了被測(cè)人員下樓梯和繞環(huán)形樓道行走的跟蹤實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,該裝置能正確跟蹤被測(cè)人員的每一步行蹤,且效果良好。圖5和圖6為兩種情況下該裝置輸出的被測(cè)人員的移動(dòng)軌跡。

兩種情況下該裝置輸出的被測(cè)人員的移動(dòng)軌跡

兩種情況下該裝置輸出的被測(cè)人員的移動(dòng)軌跡

  4 結(jié) 論

  本系統(tǒng)由TMS320F2812信號(hào)處理器、IDG-300型陀螺儀和KXR94加速度計(jì)組成了一個(gè)微型慣性測(cè)量裝置。該裝置可準(zhǔn)確跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo),具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)。鑒于該裝置的特點(diǎn),還可應(yīng)用于帶有運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和狀態(tài)感知的手機(jī),以監(jiān)視手機(jī)所在位置和被使用狀況;帶有硬盤(pán)保護(hù)系統(tǒng)的筆記本電腦和媒體播放器;可移動(dòng)游戲機(jī),通過(guò)改善當(dāng)前游戲界面和開(kāi)發(fā)新的基于運(yùn)動(dòng)的游戲,提供更多互動(dòng)、直觀和趣味性強(qiáng)的游戲體驗(yàn);數(shù)碼相機(jī),通過(guò)檢測(cè)位置、運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)而自動(dòng)幫助用戶更好地拍照等。

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