蔣孝勇++米瑞甫++程壑++杜睿

摘 要：隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，民用和軍用設(shè)備微型化、低功耗及多功能化成為發(fā)展趨勢，文中設(shè)計了應(yīng)用于實驗教學(xué)的基于MEMS微慣性器件的三軸穩(wěn)定平臺。該平臺采用領(lǐng)先的智能傳感器技術(shù)設(shè)計而成，可實現(xiàn)完全自主姿態(tài)監(jiān)測，有助于學(xué)生了解陀螺穩(wěn)定平臺并掌握相關(guān)原理、技術(shù)及其應(yīng)用，為陀螺穩(wěn)定平臺的深入研究打下堅實基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：MEMS；三軸陀螺；穩(wěn)定平臺

1 作品簡介

本設(shè)計主要應(yīng)用于實驗教學(xué)。平臺采用領(lǐng)先的智能傳感器技術(shù)，包括三軸MEMS陀螺、三軸MEMS加速度計和三軸MEMS磁強計傳感器。平臺控制系統(tǒng)由姿態(tài)信息采集和姿態(tài)解算與動力控制兩個基本單元組成。姿態(tài)信息檢測單元通過MEMS陀螺儀檢測平臺的俯仰、橫滾航向角獲取陀螺和加速度計數(shù)據(jù)，由MEMS加速度計對姿態(tài)信息進行校正，經(jīng)處理后發(fā)送給姿態(tài)解算與動力控制單元，然后由該單元將獲取到的慣性傳感數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，解算姿態(tài)信息，并利用控制策略控制平臺動力系統(tǒng)，使平臺的橫滾內(nèi)框保持平穩(wěn)。平臺姿態(tài)解算加入Kalman濾波技術(shù)，由嵌入式單片機完成，由電機執(zhí)行，采用PWM波控制。學(xué)生可分別做陀螺、加速度、電子羅盤和航姿綜合實驗等。本實驗系統(tǒng)有助于學(xué)生理解和掌握慣性導(dǎo)航、航向姿態(tài)、運動狀態(tài)測量的原理、技術(shù)及其應(yīng)用。MEMS三軸穩(wěn)定平臺系統(tǒng)如圖1所示。六自由度IMU姿態(tài)測量單元如圖2所示。三軸穩(wěn)定平臺模型如圖3所示。

2 工作原理

2.1 整體方案

平臺控制系統(tǒng)由姿態(tài)信息采集和姿態(tài)解算與動力控制兩個基本單元組成，如圖4所示。姿態(tài)信息檢測單元獲取陀螺、加速度計、磁羅盤的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后發(fā)送給姿態(tài)解算與動力控制單元，然后由該單元將獲取到的慣性傳感數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，解算俯仰和橫滾、航向姿態(tài)信息，并利用控制策略控制平臺動力系統(tǒng)，使平臺的橫滾內(nèi)框保持平穩(wěn)。三軸穩(wěn)定平臺原理框圖如圖4所示。

2.2 姿態(tài)采集

姿態(tài)檢測單元主要負責(zé)三軸MEMS陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁力計的數(shù)據(jù)采集與信號處理。MEMS陀螺信號采集方面，設(shè)計了模擬信號的低噪聲信號調(diào)理電路和高精度的AD轉(zhuǎn)換電路，將獲取到的MEMS陀螺信號進行噪聲分析和濾波處理，然后通過對MEMS微陀螺的測試標定，利用誤差補償算法改善陀螺信號。MEMS加速度計方面，設(shè)計了基于SPI總線通信的數(shù)據(jù)獲取軟、硬件系統(tǒng)，以提取三軸加速度信息。然后將獲取并處理過的兩軸MEMS陀螺和三軸加速度計數(shù)據(jù)通過自定義的通信協(xié)議經(jīng)422總線以固定頻率發(fā)送出去。姿態(tài)采集模塊原理框圖如圖5所示。

2.3 數(shù)據(jù)融合與姿態(tài)控制

姿態(tài)解算和控制單元以被動的中斷方式進行姿態(tài)信息數(shù)據(jù)獲取，獲取信息后先利用三軸加速度信息計算基于加速度計的瞬時俯仰和橫滾角作為觀測量，結(jié)合兩軸向的陀螺數(shù)據(jù)，利用Kalman濾波數(shù)據(jù)融合算法對下一時刻姿態(tài)角進行預(yù)估計；然后以此為依據(jù)，利用PID算法計算角度控制增量，并將此角增量信息通過485總線傳遞給數(shù)字舵機，由舵機反向旋轉(zhuǎn)后使兩軸穩(wěn)定平臺恢復(fù)初始位置，使平臺系統(tǒng)內(nèi)框架保持平穩(wěn)。

3 創(chuàng)新點

（1）傳感模塊中采用小體積、低功耗的MIMU，電源可內(nèi)置，實現(xiàn)完全自主姿態(tài)監(jiān)測。各模塊實物圖如圖6所示。

（2）采用針對MEMS陀螺模擬角速率信號配置高精度差分采集電路。陀螺A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)字輸出零偏測試積分對比如圖7所示。

（3）姿態(tài)解算加入Kalman濾波技術(shù)，使得陀螺應(yīng)用精度提升6倍以上，由MEMS加速度計對姿態(tài)信息進行校正。Kalman濾波前后陀螺性能對比如圖8所示。

（4）建立了微機械陀螺零偏，標度因子隨溫度變化的誤差模型，補償后微機械陀螺儀精度提高2～3個數(shù)量級。溫度誤差模型效果如圖9所示。

圖9 溫度誤差模型效果圖

（5）執(zhí)行機構(gòu)舵機采用PWM波控制，反應(yīng)速度20 ms。

（6）平臺控制加入自動調(diào)平和找北功能。

（7）編寫基于VC的上位機軟件，可對平臺控制情況進行實時監(jiān)測。

4 市場前景

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，民用和軍用設(shè)備微型化、低功耗及多功能化成為發(fā)展趨勢?；贛EMS慣性器件的穩(wěn)定平臺具有上述特點，在軍事民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，廣闊的應(yīng)用前景使得穩(wěn)定平臺成為各國數(shù)十年來的研究熱點。目前國內(nèi)主要研究單位有中電39所、清華大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等。作為學(xué)生教學(xué)儀器的三軸陀螺穩(wěn)定平臺有助于學(xué)生由淺入深地了解陀螺穩(wěn)定平臺，并理解、熟悉、掌握慣性導(dǎo)航航向、姿態(tài)運動狀態(tài)測量的原理、技術(shù)及其應(yīng)用，為慣性組件的學(xué)習(xí)及陀螺穩(wěn)定平臺的深入研究打下堅實基礎(chǔ)。穩(wěn)定平臺教學(xué)儀器如圖10所示。endprint