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基于ARM与低成本MEMS器件的AHRS设计

作者:时间:2012-06-11来源:网络收藏

摘要:自平衡机器人、多旋翼无人飞行器的控制需要高精度的姿态运动信息作为反馈输入,要求测量模块具有响应快、体积小和功耗低的特点。采用低与STM32单片机构建了航向姿态参考系统硬件平台。针对传感器的特点,扩展卡尔曼滤波算法的双矢量校正方法,并给出了陀螺仪的温度补偿、磁传感器的校正方法。
关键词:微机电系统;航向姿态参考系统;扩展卡尔曼滤波

引言
航向姿态参考系统(Attitude and Heading ReferenceSystem,)能够提供航向、横滚和侧翻等姿态信息,机械陀螺仪及光纤陀螺仪等高精度惯性导航价格昂贵,难以得到推广。目前传感器在消费类电子产品中得到广泛应用,但是角速率陀螺仪存在严重的零点漂移和随机误差,在捷联惯性导航解算中会产生积分误差,难以达到应用的精度。加速度计和磁场计能分别测量出重力加速度和地磁场这两个不相关的三维矢量,可以作为平台姿态的观测矢量来校准陀螺仪。扩展卡尔曼滤波可以结合这几种传感器的特点,以陀螺仪测量得到的角速率作预测更新,以重力加速度和磁场观测更新,得到更高精度的姿态角信息。

1 硬件结构
MEMS硬件基本组成为三轴角速率陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁阻传感器和STM32系列微处理器STM32F103U8T6。航向姿态参考系统的硬件结构如图1所示。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/148911.htm

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IMU采用整合了16位的三轴陀螺仪和三轴加速度计的MPU-6000,与多组件方案相比,有效避免了组合陀螺仪与加速器时之轴间安装误差的问题,节省了安装空间。同时,内部自带了16位A/D转换器,简化了电路。MPU-6000的角速率量程为±250°/s、±500°/s、±
1000°/s与±2000°/s。加速度测量范围为±2g、±4g、±8g与±16g。内部自带16位的数字温度传感器,方便对传感器进行温度补偿。数据可通过最高可达400kHz的I2C总线或最高可达20 MHz的SPI接口传输,采样更新速率达到8 kHz,可保证系统测量的实时性。
霍尼韦尔HMC5883为三轴12位I2C总线数字量输出磁阻传感器,测量范围为±1~±8 Gs,数据更新速率为80 Hz。内置OFFSET/SET/RES ET电路,不会出现磁饱和与累加误差现象,支持自动校准程序,简化使用步骤,可以满足地磁场的测量要求。选用Cortex-M3内核的STM 32系列处理器STM32F103U8T6,主频达72 MHz,1.25 DMIPS/MHz;具有硬件单周期乘法器,保证姿态更新的实时性;具有丰富外设接口,可采用I2C总线接口从传感器中读取数据,通过串口与上位机进行通信。

2 四维扩展卡尔曼滤波算法
扩展卡尔曼滤波算法(Extended Kalman Filter,EKF)是一套由计算机实现的实时递推算法,所处理的对象是随机信号,利用系统噪声和观测噪声的统计特性,以系统的观测量作为滤波器的输入,以所要求的估计值(系统的状态变量)作为滤波器的输出,滤波器的输入和输出由时间更新和观测更新算法联系在一起,根据系统的状态方程和观测方程估算出所需要处理的信号。扩展卡尔曼滤波算法的状态变量采用四维四元数,与采用欧拉角相比,避免了采用欧拉角计算时涉及的大量三角函数运算,保证了更新速率和实时性,同时不存在采用欧拉角运算出现的奇异性。欧拉角与四元数的转换关系如式(1)~(3)所示。
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