胡 雄, 汪 超, 唐 剛

(上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院, 上海 201306 )

基于STM32的六自由度平臺(tái)的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡 雄, 汪 超, 唐 剛

(上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院, 上海 201306 )

提出一種新型的六自由度平臺(tái)的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案, 該方案是以STM32為主控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集和姿態(tài)計(jì)算. 由傳感器得到平臺(tái)的加速度、角速度和磁阻數(shù)據(jù), 采用四元數(shù)法作為六自由度平臺(tái)的姿態(tài)更新算法, 經(jīng)互補(bǔ)濾波后得到六自由度平臺(tái)的姿態(tài)角, 通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示, 并將數(shù)據(jù)存于外接存儲(chǔ)器中. 上位機(jī)顯示結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該六自由度平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的.

六自由度平臺(tái); STM32; 姿態(tài)測(cè)量; 無(wú)線傳輸

六自由度平臺(tái)是由運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通過(guò)鉸鏈連接6條伸縮桿的一端, 而伸縮桿的另一端通過(guò)鉸鏈連接下方固定平臺(tái)而構(gòu)成的空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)[1]. 六自由度平臺(tái)在各種訓(xùn)練模擬器如艦艇模擬器、飛行模擬器中有著非常廣泛的應(yīng)用, 并在飛行器的空間對(duì)接模擬試驗(yàn)中發(fā)揮了重要的作用[2]. 對(duì)于試驗(yàn)設(shè)備的研究與其性能的檢測(cè), 六自由度平臺(tái)提供了較為真實(shí)的試驗(yàn)環(huán)境.

隨著船舶科技的不斷進(jìn)步, 船舶的安全性越來(lái)越受到人們的重視. 船舶在行駛過(guò)程中因?yàn)楦鞣N因素的影響會(huì)發(fā)生晃動(dòng), 如果船舶的姿態(tài)不能保證在一定的范圍內(nèi), 就會(huì)對(duì)船舶的安全造成威脅. 船舶上電子設(shè)備的正常運(yùn)行、船上人員的正常生活和船舶上手術(shù)的操作等問(wèn)題都需要船舶保持其平穩(wěn)性. 因此, 船舶在行駛中, 其姿態(tài)參數(shù)和穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的作用. 然而, 船舶的研制是一項(xiàng)浩大而復(fù)雜的工程, 直接用實(shí)體船進(jìn)行試驗(yàn), 盡管能獲得最真實(shí)、最具說(shuō)服力的姿態(tài)響應(yīng), 但試驗(yàn)成本過(guò)高, 并有著一定的危險(xiǎn)性. 若利用計(jì)算機(jī)對(duì)船舶性能模擬仿真, 所建立的數(shù)學(xué)模型采用人為的方式推導(dǎo)而來(lái), 得到的姿態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)很難有說(shuō)服力. 六自由度平臺(tái)的模擬仿真, 在實(shí)驗(yàn)室中將船舶在海洋中搖擺的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)模擬出來(lái), 既能很好地接近實(shí)際情況, 又能避免大量的人力、物力資源的浪費(fèi). 這種半物理仿真的方法也是目前研究船舶姿態(tài)最為有效的方法.

六自由度平臺(tái)的姿態(tài)測(cè)量是平臺(tái)運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一, 實(shí)時(shí)得到六自由度平臺(tái)的姿態(tài)數(shù)據(jù)并反饋給操作臺(tái), 從而更好地控制六自由度平臺(tái)的模擬運(yùn)轉(zhuǎn)操作. 本文采用STM32F103RBT6為主控芯片, 由MPU6050六軸傳感器和HMC5883L三軸數(shù)字羅盤(pán)完成六自由度平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集, 并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理和整合后得到其姿態(tài)角數(shù)據(jù), 并將角速度、加速度等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于外接存儲(chǔ)器K9K8G08U0M中, 通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī), 在PC端實(shí)現(xiàn)六自由度平臺(tái)的姿態(tài)信息顯示.

1 六自由度平臺(tái)的工作原理

六自由度平臺(tái)工作時(shí), 它通過(guò)6條伸縮桿的伸縮運(yùn)動(dòng)來(lái)改變伸縮桿的桿長(zhǎng), 從而使得上平臺(tái)呈現(xiàn)不同的空間姿態(tài), 實(shí)現(xiàn)上平臺(tái)在空間中六自由度的運(yùn)動(dòng), 分別為升降、橫移、縱擺、俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航, 即為x、y、z軸方向的平移和繞x、y、z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 或者是這些運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)[1-2]. 六自由度平臺(tái)的三維模型如圖1所示.

圖1 六自由度平臺(tái)的三維模型Fig.1 Three-dimensional model of six degrees of freedom platform

2 六自由度平臺(tái)的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

姿態(tài)測(cè)量的方法是六自由度平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的核心, 常見(jiàn)的測(cè)量方法有加速度計(jì)和陀螺儀組合進(jìn)行測(cè)量的慣性組合測(cè)量法、電子羅盤(pán)測(cè)姿方法、GPS姿態(tài)算法、圖像視覺(jué)處理法等[3]. GPS姿態(tài)算法主要應(yīng)用于視野開(kāi)闊、障礙物較少的室外場(chǎng)所, 如飛機(jī)和船舶的姿態(tài)測(cè)量, 不適合于室內(nèi)測(cè)量[4]. 圖像視覺(jué)處理法在醫(yī)療和工業(yè)上的應(yīng)用較為廣泛, 但是其測(cè)量系統(tǒng)體積較大, 成本昂貴, 姿態(tài)解算方法較為復(fù)雜. 加速度計(jì)和磁場(chǎng)力計(jì)的測(cè)量方法有著體積小、測(cè)量速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn), 但在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不夠. 陀螺儀單獨(dú)測(cè)量姿態(tài)時(shí), 在測(cè)量角度時(shí)存在漂移問(wèn)題[5].

結(jié)合上述各測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn), 本文采用三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀、三軸磁阻傳感器作為傳感器單元, 其中, 三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀采用集成的MPU6050六軸傳感器, 三軸磁阻傳感器采用HMC5883L數(shù)字羅盤(pán). 姿態(tài)測(cè)量裝置實(shí)物如圖2所示. 由四元數(shù)姿態(tài)算法得到六自由度平臺(tái)的姿態(tài)角數(shù)據(jù), 為了解決姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中加速度計(jì)和磁阻傳感器在使用中受線性加速度干擾和磁場(chǎng)干擾問(wèn)題, 以及陀螺儀在四元數(shù)法中的累積誤差問(wèn)題, 系統(tǒng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的互補(bǔ)濾波算法對(duì)傳感器信息進(jìn)行融合, 從而解出六自由度平臺(tái)的姿態(tài), 最后將姿態(tài)數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸, 在PC端上位機(jī)上進(jìn)行顯示, 同時(shí)將傳感器信息和姿態(tài)信息存儲(chǔ)于存儲(chǔ)單元里. 姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖3所示.

2.2 姿態(tài)更新算法

姿態(tài)更新算法是姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的核心, 只有確定姿態(tài)更新算法, 才能設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波算法來(lái)估計(jì)六自由度平臺(tái)的全姿態(tài)選擇的姿態(tài)更新算法是否合適, 將會(huì)直接影響六自由度平臺(tái)姿態(tài)的測(cè)量結(jié)果. 歐拉角法、方向余弦法和四元數(shù)法是目前較為典型的姿態(tài)更新算法[6].

歐拉角法求解姿態(tài)角時(shí), 不僅求解速度較為緩慢, 姿態(tài)求解方程中會(huì)出現(xiàn)“奇點(diǎn)”, 而且其最大的缺點(diǎn)在于并不能進(jìn)行全姿態(tài)解算. 方向余弦法則是在求解過(guò)程中計(jì)算量過(guò)大, 不能快速地得到姿態(tài)結(jié)果, 因此很難達(dá)到實(shí)際工作中的目標(biāo). 四元數(shù)法不僅求解方程無(wú)奇性, 而且線性程度高, 方程解算的時(shí)間大大減少, 因此，本文姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中選用四元數(shù)法作為姿態(tài)更新算法[7].

圖2 姿態(tài)測(cè)量裝置Fig.2 Attitude measurement device

圖3 姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Fig.3 Design program of attitude measurement system

四元數(shù)法求解姿態(tài)時(shí)所用的定位參數(shù)只有4個(gè), 并且4個(gè)定位參數(shù)之間只有一個(gè)約束方程, 可以表示為一個(gè)1個(gè)標(biāo)量部分和3個(gè)矢量部分組成的形式, 同樣可以看作是由1個(gè)標(biāo)量和1個(gè)矢量之和的形式. 實(shí)際工程中多采用特征四元數(shù), 其標(biāo)量部分可以看做一個(gè)坐標(biāo)系相對(duì)于另一坐標(biāo)系轉(zhuǎn)角的一半的余弦值, 矢量部分可以看做某一時(shí)刻轉(zhuǎn)動(dòng)軸n的方向. 如式(1)中的R為一矢量, 相對(duì)于某一坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)了θ后得到新矢量R′, 在這里采用Rodrigue-Hamilton參數(shù)作為四元數(shù)實(shí)元,λ為其標(biāo)量部分,p1、p2、p3為其矢量部分[7].

R′=qRq-1

(1)

從上述方程中可以看出, 四元數(shù)法求解載體的姿態(tài)角時(shí), 只需要求解4個(gè)一階微分方程即可, 相比于方向余弦法, 其大大地減少了計(jì)算量, 能夠滿足工程中的實(shí)時(shí)性要求, 被廣泛應(yīng)用于捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航技術(shù)和空間技術(shù)中[8].

四元數(shù)法求解六自由度平臺(tái)的姿態(tài)過(guò)程如下:

(1) 輸入四元數(shù)方程在求解過(guò)程中初始姿態(tài)角, 如式(2)所示.

(2)

(3)

(4)

故姿態(tài)矩陣可以表示為

(5)

(4) 解算六自由度平臺(tái)的姿態(tài)角, 得到θ、ψ、γ. 輸入分別為T(mén)11(n)、T12(n)、T13(n)、T23(n)、T33(n), 利用方向余弦矩陣中對(duì)應(yīng)項(xiàng)相等即可得到姿態(tài)角, 計(jì)算式如式(6)所示.

(6)

2.3 互補(bǔ)濾波算法

在實(shí)際使用中, 加速度傳感器和磁阻傳感器解算得到的姿態(tài)數(shù)據(jù)不會(huì)產(chǎn)生累積誤差, 但是在運(yùn)動(dòng)加速度干擾和磁場(chǎng)干擾等情況下, 在短時(shí)間內(nèi)姿態(tài)數(shù)據(jù)的精度較差. 陀螺儀的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好, 但是在計(jì)算姿態(tài)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)累積誤差, 導(dǎo)致得到的結(jié)果沒(méi)用使用價(jià)值. 因此，六自由度平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中采用相應(yīng)的互補(bǔ)濾波算法對(duì)傳感器信息進(jìn)行融合[9].

(7)

其中:A(s)+B(s)=1,A(s)=K/(S+K),B(s)=S/(S+K),S、K分別為磁阻傳感器和加速度傳感

器解算得到的姿態(tài)角度和陀螺儀解算得到姿態(tài)角度的權(quán)重值.A(s)具有低通濾波性,B(s)具有高通濾波特性, 從而分別將θjc中的高頻噪聲和ωm中的低頻噪聲濾除, 代入式(7)中可得:

(8)

式(8)的時(shí)域形式為

(9)

互補(bǔ)濾波算法中僅需要調(diào)節(jié)相應(yīng)的K值即可, 系統(tǒng)的截止頻率fc與K的關(guān)系滿足:

(10)

其中:ts為系統(tǒng)的采樣周期.

2.4 姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本文六自由度平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的主控芯片選用STM32F103RBT6, 它是一款成本低、功耗低、性能高的cortex-M3架構(gòu)內(nèi)核的32位處理器產(chǎn)品, 滿足該系統(tǒng)的性能需求. 加速度和角速度測(cè)量采用MPU6050六軸傳感器, 相對(duì)于傳統(tǒng)的多組件測(cè)量方法, 該傳感器消除了加速度計(jì)與陀螺儀之間的軸差問(wèn)題, 其不僅體積小, 且有自帶的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器, 較為方便地實(shí)現(xiàn)姿態(tài)解算, MPU6050傳感器與主控芯片的接口方式如圖4所示[10].

三軸數(shù)字羅盤(pán)選用HMC5883L, 用來(lái)測(cè)量六自由度平臺(tái)的外界干擾磁場(chǎng)強(qiáng)度和地球磁場(chǎng)強(qiáng)度, 其采用了AMR(anisotropic magneto-resistance)技術(shù), 有著軸向的高靈敏性和線性高精度性, 體積小且成本低, 滿足本文姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的性能需求, 數(shù)字羅盤(pán)與主控芯片的接口圖如圖5所示[11]. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用三星公司的K9K8G08U0M, 該存儲(chǔ)器有著1 GByte的存儲(chǔ)空間, 它具有尋址簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)、功耗低等特點(diǎn), 由于采用NAND(Not AND)結(jié)構(gòu), 同時(shí)具有較強(qiáng)的抗震能力, 而且能保證10 a的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間.

圖5 數(shù)字羅盤(pán)與主控芯片接口圖Fig.5 Interface figure of digital compass and main control chip

無(wú)線傳輸模塊選用nRF24L01+芯片, 該芯片工作頻率為2.4～2.5 GHz, 具備自動(dòng)重發(fā)功能和6個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道, 最大無(wú)線傳輸速率為2 Mbit/s, 它在通信率較高的設(shè)備互聯(lián)間有著很好的效果, 具有功耗低、成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)[12]. 六自由度平臺(tái)的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的主控芯片STM32作為無(wú)線傳輸?shù)陌l(fā)送端, 接收端也同樣采用STM32芯片. 接收端通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)玫絺鞲衅鲾?shù)據(jù)和姿態(tài)角數(shù)據(jù), 通過(guò)USB將數(shù)據(jù)傳輸給PC端的上位機(jī), 并在上位機(jī)上顯示. 無(wú)線傳輸?shù)氖疽馊鐖D6所示.

圖6 無(wú)線傳輸示意圖

Fig.6 Schematic diagram of wireless transmission

2.5 姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

六自由度平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)中的重要組成部分, 它主要是下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件兩個(gè)部分. 其中: 下位機(jī)主要包括系統(tǒng)的微處理器的初始化、傳感器數(shù)據(jù)的采集和融合、姿態(tài)解算, 并將傳感器信息和姿態(tài)解算結(jié)果發(fā)送給上位機(jī); 上位機(jī)則是對(duì)下位機(jī)傳輸信息的解析, 并在顯示界面上顯示六自由度平臺(tái)的姿態(tài)信息. 六自由度平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示.

圖7 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖Fig.7 Block diagram of the system software

2.6 上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示

PC端上位機(jī)通過(guò)USB傳輸?shù)玫絺鞲衅鲾?shù)據(jù)和姿態(tài)角信息, 并編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)姿態(tài)測(cè)量模塊運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的模擬和顯示. 圖8和9分別為上位機(jī)顯示的姿態(tài)變化時(shí)的三維模型和姿態(tài)歐拉角以及傳感器原始數(shù)據(jù)的波形圖, 可以很直接明了地看出平臺(tái)的姿態(tài), 在上位機(jī)中可以用相應(yīng)的控件分析其角速度、加速度、磁通量波形圖, 可直接放大波形圖和改變其時(shí)間柵格. 上位機(jī)接收數(shù)據(jù)的格式為“＄×1×2×3×4×5×6×7×8×9×10×11×12＄”, 總共傳輸12個(gè)數(shù)據(jù), 分別為三軸角速度、三軸加速度、三軸磁通量、三個(gè)姿態(tài)角.

圖8 三維模型和姿態(tài)角顯示Fig.8 Three-dimensional model and attitude angle display

圖9 傳感器原始數(shù)據(jù)波形圖Fig.9 Original data waveform figure of sensor

2.7 系統(tǒng)測(cè)試

為了測(cè)試六自由度平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的性能, 進(jìn)行了系統(tǒng)姿態(tài)測(cè)量精度試驗(yàn). 將本文設(shè)計(jì)的姿態(tài)測(cè)量裝置與標(biāo)準(zhǔn)的姿態(tài)測(cè)量裝置進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量對(duì)比, 保持試驗(yàn)臺(tái)上兩者的重心在同一位置, 以標(biāo)準(zhǔn)的姿態(tài)測(cè)量裝置為準(zhǔn), 記錄所設(shè)計(jì)的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù), 取其3次平均值來(lái)代表姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的精度.

試驗(yàn)中保證兩個(gè)姿態(tài)測(cè)量裝置的三軸平行, 將本文設(shè)計(jì)的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)測(cè)量裝置得到的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比, 評(píng)價(jià)姿態(tài)角的測(cè)量精度, 俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、偏航角的測(cè)量結(jié)果如表1～3所示. 由表1～3可以看到, 俯仰角的絕對(duì)誤差在0.10°以內(nèi), 滾轉(zhuǎn)角的絕對(duì)誤差在0.15°以內(nèi), 偏航角的絕對(duì)誤差在0.18°以內(nèi). 由此可知, 本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠很好地應(yīng)用于六自由度平臺(tái)的姿態(tài)測(cè)量.

表1 俯仰角測(cè)量結(jié)果

表2 滾轉(zhuǎn)角測(cè)量結(jié)果

表3 偏航角測(cè)量結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的一種基于STM32的六自由度平臺(tái)的測(cè)量系統(tǒng), 采用了MPU6050六軸傳感器與三軸數(shù)字羅盤(pán)的姿態(tài)測(cè)量模塊, 四元數(shù)更新姿態(tài), 互補(bǔ)濾波法提高姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的精度. 該姿態(tài)測(cè)量裝置體積小、易攜帶、成本低, 并且有著較高的精度. 試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定, 表明該姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)有著較好的性能和穩(wěn)定性, 可以用于六自由度平臺(tái)進(jìn)行船舶模擬試驗(yàn)時(shí)的姿態(tài)測(cè)量, 為船舶的安全性提供了一定的保障.

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A Six Degrees of Freedom Platform Attitude Measurement System Design Based on STM32

HUXiong,WANGChao,TANGGang

(School of Logistics Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

A new type of attitude measuring system design scheme of six degrees of freedom platform is proposed, realizing data collection and attitude calculation for the platform using STM32 as the main controller. The acceleration, angular velocity and magnetic resistance data are obtained by the sensor, the quaternion method is adopted as the attitude updating algorithm of the six degrees of freedom platform, and the attitude angle of the six degrees of freedom platform can be got after the complementary filter, through the wireless transmission , the attitude angle is displayed on PC, also, the data is stored in external memory. The results and experimental data of the PC display show that the proposed six degrees of freedom platform attitude measuring system is stable and reliable.

six degrees of freedom platform; STM32; attitude measurement; wireless transmission

1671-0444 (2016)04-0597-07

2015-12-30

胡 雄(1962—)，男，上海人，教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程.E-mail:huxiong@shmtu.edu.cn

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