郭旻 蔡振興 歐陽元兵

摘 要 目前炮塔轉(zhuǎn)動參數(shù)檢測方法存在測量精度偏低、操作復(fù)雜、抗干擾能力差的缺點，我們設(shè)計了一種基于MEMS慣性測量單元的炮塔轉(zhuǎn)動參數(shù)測量系統(tǒng)，系統(tǒng)由ARM主控單元，MEMS慣性測量單元，WiFi模塊，存儲模塊組成。通過在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)臺上的標(biāo)定和在某型坦克上的實驗，該系統(tǒng)滿足測試精度要求，節(jié)省了人力物力，縮短了測量時間，滿足實際應(yīng)用的需求。

關(guān)鍵詞 轉(zhuǎn)動參數(shù) 非接觸測量 微機(jī)電系統(tǒng) 炮控系統(tǒng)

中圖分類號：TM935文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0緒論

炮塔是安裝在裝甲車、坦克、艦艇上的瞄準(zhǔn)發(fā)射武器系統(tǒng)裝置，能夠圍繞水平軸做360度無死角旋轉(zhuǎn)，并且能夠做45度角的俯仰運動，具有兩個自由度。炮塔轉(zhuǎn)動參數(shù)包括角速度量和角度量。目前測量方法主要有CCD點光源法、PSD光學(xué)測量靶法、光纖陀螺法、電測法等。這些測量方法在精度和測量靈活性上都有缺陷。我們設(shè)計了一種基于MEMS慣性測量單元的炮塔轉(zhuǎn)動參數(shù)測量裝置，用來彌補上述測量方法的不足，以滿足實際需求。

1測量原理

本系統(tǒng)主要測量的量是炮塔轉(zhuǎn)動的角速度及角度，我們選用的慣性測量單元MEMS九軸傳感器MPU9250。它包括三軸16位高精度AD組成的陀螺儀，三軸16位高精度AD組成的的加速度計與三軸6位磁力計，以及一個可擴(kuò)展的數(shù)字運動處理器DMP。角速度的測量裝置主要是陀螺儀，然后輔以加速計來進(jìn)行修正。角度的測量是通過陀螺儀、加速計和磁力計測量的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合得到的，融合后的角度即是姿態(tài)角（如圖1所示），即x軸的俯仰角Pitch、y軸的滾轉(zhuǎn)角Roll、z軸的偏航角Yaw。測量時我們只需把傳感器固定在炮管上，通過讀取MPU9250輸出的數(shù)據(jù)，即可得到炮塔轉(zhuǎn)動的角速度及角度量，其中z軸得到的是炮塔水平方向的值，x軸得到的是炮塔垂直方向的俯仰值。

2系統(tǒng)方案設(shè)計

我們選用MEMS結(jié)構(gòu)的慣性測量傳感器件測量得到炮塔轉(zhuǎn)動的角速度和角度數(shù)據(jù)，然后經(jīng)由I2C通信總線傳給測量單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理。處理運算完成的數(shù)據(jù)可就地存儲，并經(jīng)由無線模塊將數(shù)據(jù)實時發(fā)給上位機(jī)進(jìn)行顯示。在整個測量過程中只需將測量裝置放置在炮管上，不需要其他的輔助設(shè)備。MEMS慣性測量單元屬于非接觸式傳感器，這種測量方式對現(xiàn)有方式有很大的創(chuàng)新改進(jìn)，使得測量進(jìn)行便捷靈活。測量數(shù)據(jù)的傳輸采用WiFi無線的形式，不需要硬件連線，便于在復(fù)雜、空間有限的調(diào)試現(xiàn)場進(jìn)行測量。

炮塔在測試機(jī)動性能時，炮管振動劇烈，而且一旦炮塔的驅(qū)動電機(jī)開啟會帶來很強的電磁干擾，這對測量上會產(chǎn)生很大的干擾，形成噪聲。同時MEMS慣性測量傳感器件也存在漂移的問題，積分會累計誤差，所以得運用相應(yīng)的濾波算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。為了減小誤差，選用多片MEMS慣性測量傳感器件進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，然后對同一時刻多片陀螺儀所采的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對復(fù)合，數(shù)據(jù)的處理及測量傳感器的驅(qū)動由ARM單片機(jī)完成。針對于不同的數(shù)據(jù)測量量采用不同的濾波方法，如角速度只需算術(shù)平均濾波便可以保證精度;而對于角度值測量，因為它的計算是由多個多軸傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合運算得出，我們采用卡爾曼濾波進(jìn)行處理，以達(dá)到精度要求。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)主控芯片選用STM32F103ZET6，測量模塊為JY-901，模塊集成MPU9250，采用高性能的微處理器和先進(jìn)的動力學(xué)解算與卡爾曼動態(tài)濾波算法，能夠快速求解出模塊當(dāng)前的實時運動姿態(tài)，姿態(tài)測量動態(tài)精度為0.1？s，靜態(tài)精度位0.01度，穩(wěn)定性極高。支持串口和I2C兩種數(shù)字接口輸出。串口速率2400bps-921600bps可調(diào)，I2C接口支持全速400K速率。

本裝置采用無線方式與上位機(jī)通信，無線WiFi模塊為HLK-RM04高性能、低成本UART-ETH-WIFI模塊。該模塊是基于通用串行接口的符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)（WiFi）3個接口之間的轉(zhuǎn)換。它能穩(wěn)定可靠的把串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成WiFi熱點，并支持全雙工工作模式。工作時只需用平板、手機(jī)、PC機(jī)等平臺安裝好專門開發(fā)的上位機(jī)便可能實現(xiàn)顯示和控制。

裝置在完成一次數(shù)據(jù)的測量后，會實時（下轉(zhuǎn)第279頁）（上接第268頁）的將所測得的數(shù)據(jù)顯示在上位機(jī)上。除了實時顯示所測數(shù)據(jù)外，本裝置自帶有數(shù)據(jù)存儲模塊，要將每次測量的數(shù)據(jù)自動存儲在TF卡中，這樣便于后期對所測數(shù)據(jù)的分析和參數(shù)指標(biāo)標(biāo)定。

2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件部分主要包含單片機(jī)的初始化、九軸MPU6050姿態(tài)傳感器初始化以及數(shù)據(jù)讀取等等，其中單片機(jī)的初始化包括時鐘初始化、串口初始化時鐘配置以及串口1和串口2的配置，所采用的語言是C語言，系統(tǒng)軟件的設(shè)計主要是對算法解算、數(shù)據(jù)融合以及通過串口傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的軟件設(shè)計框圖如圖3所示。

3總結(jié)

我們所設(shè)計的基于MEMS慣性測量單元的炮塔轉(zhuǎn)動參數(shù)測量系統(tǒng)，解決了傳感器的零漂和測量數(shù)據(jù)的突變、波動問題。通過在標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)臺上的標(biāo)定和在某型坦克上的實驗，該裝置的測量動態(tài)精度為0.1？s，靜態(tài)精度位0.01度，穩(wěn)定性高。本裝置操作簡單、靈敏度高、成本較低、實用性強，能有效地提高測試精度，節(jié)省了人力物力，縮短了測量時間，滿足實際應(yīng)用的需求，具有很高的實用價值。

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