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介紹

傳統的姿態測量系統采用捷聯式慣導系統（SINS），相比平臺式慣導系統而言，其具有體積相對更小，成本相對更低，易于安裝和維護并且可靠性更高的有點，因此，捷聯慣導系統在飛行器導航和姿態測量中得到了廣泛的研究和應用。

然而，傳統的姿態測量系統包括捷聯式慣導普遍具有體積大，重量大，復雜程度高等特點，使得傳統的姿態測量系統無法應用于日常應用。同時，傳統的捷聯慣導系統一般需要一個尋北系統的輔助來獲得載體的方位角，但是傳統的尋北系統多為基于陀螺的系統，其體積和復雜度也是日常應用所無法接受的。可見，對于對體積具有嚴格限制的嵌入式系統而言，需要研制一種小型的姿態測量系統來滿足其姿態測量的要求。MEMS技術和MR技術的快速發展，為研制這種低成本，小體積，高集成度的姿態測量系統提供了可能，從而可以使得對體積和成本敏感的系統具有姿態測量的能力。

本文論述了由MEMS加速度計和MR傳感器組成的姿態測量系統。在本系統中，三軸MEMS加速度計用來獲得載體基于重力向量的俯仰角和橫滾角，而三軸MR傳感器的輸出經過以俯仰角和橫滾角為參數的矩陣變換后可以給出載體相對于地磁北極的方位角。

硬件描述

本論文論述的姿態測量系統主要由三軸MEMS加速度計，三軸MR傳感器，ARM內核微控制器和用于顯示結果的LCD顯示器組成。

微處理器

本系統選用的微處理器為Atmel公司的At91sam7s64 ARM微控制器。At91sam7s64是基于32位ARM內核的低管腳數高性能并且內置Flash的微控制器。其內部集成了64k字節Flash和16k字節的SRAM以及大量的外設接口，例如兩個USART接口，可以分別用來與PC機通信和控制串口LCD屏顯示測量結果。其具有一個10位的SAR逐次逼近式A/D轉換器，并具有8選1模擬復用器。A/D轉換器的采樣率可以達到384ksps.At91sam7s64的ARM內核的最高運行頻率可以達到55MHz，0.9Mips/MHz，以上的特點使At91sam7s64非常適合于低成本體積敏感的姿態測量系統。

硬件結構

本系統的硬件結構如圖2所示。由于At91sam7s64具有片上A/D轉換器而且具有8選1模擬復用器，使得MMA7620Q和HMC2003可以直接與微控制器相連而不必外加A/D轉換器和復用器，不僅降低了系統的成本和體積，提高了系統的集成度，同時減少了誤差源，提高了精度。經過A/D轉換的測量數據經過ARM核的處理后，被送到串口LCD并通過RS232接口送入PC機進行進一步的分析。

 
圖1：系統硬件結構

姿態參數的獲得

在本系統中，三軸加速度計和三軸MR傳感器都以以下的方式安裝于電路板上：它們的X軸平行于系統的橫軸指向右，Y軸平行于系統的縱軸指向前，X、Y、Z軸定義為右手坐標系統，如圖2所示。

 
圖2：系統坐標

俯仰角與橫滾角的獲得

為了獲得系統基于重力向量的俯仰角θ和橫滾角φ，需要使用加速度計的三個輸出：Ax， Ay， Az.俯仰角和橫滾角可以通過以下公式（1）和公式（2）計算得到。對于微控制器，函數中的arctan（x）需要通過以下公式（3）的泰勒展開后才能計算得到。

 

方位角的獲得

為了獲得系統相對于當地地磁向量的方位角，需要使用MR傳感器的三個輸出Mx， My， Mz.當系統置于水平狀態時（俯仰角和橫滾角都為0）時，方位角ψ可以由公式（4）直接給出，但是在大多數情況下，系統并不是工作在水平狀態，此時地磁場的豎直分量將會影響Mx和My的值，因此不能直接由公式（4）獲得相對于地磁向量的方位角。為了在所有情況下都能獲得正確的方位角，必須將俯仰角和橫滾角考慮在內，即必須通過以俯仰角和橫滾角為參數的坐標變換，將測得的（Mx， My， Mz）向量變換為與載體坐標系有相同方位角的水平坐標系下的向量（M‘x ， M’y， M‘z），其變換矩陣如公式（5）。

 

至此，系統的3個姿態參數全部由公式（1）（2）（7）給出。

誤差分析

本文論述的姿態測量系統主要由MEMS加速度計和MR傳感器組成。由于現有MRMS技術的限制，其精度和傳統的加速度計還有一定的差距，這將給所得到的俯仰角和橫滾角帶來更大的誤差。MR傳感器是對磁場敏感的器件，當其被放置在鐵磁環境中的時候，地球的磁場將受到附近鐵磁環境的扭曲，這將導致方位角的誤差。然而這種由于附近鐵磁物質的影響而引入的誤差是可以補償的。

結論

使用MEMS加速度計和MR傳感器構成的姿態測量系統有效的降低了整個系統的體積、成本以及功耗，使得嵌入式系統也可以引入姿態測量的功能。本文論述的姿態測量系統非常適用于汽車導航，機器人姿態測量等領域。本文的創新點在于使用MEMS和MR元件構造了應用于嵌入式系統中的姿態測量系統，并詳細給出了各姿態參數的計算方法。