基于MEMS 和MR 传感器的嵌入式系统姿态测量

摘要: 本文介绍了一种基于新型MEMS加速度计和MR(磁阻)传感器的嵌入式姿态测量系统。通过本系统，可以获得载体的三个姿态参数：基于地球磁场的方位角，基于地球重力场的俯仰角和横滚角。

1. 介绍：

传统的姿态测量系统采用捷联式惯导系统(SINS)，相比平台式惯导系统而言，其具有 体积相对更小，成本相对更低，易于安装和维护并且可靠性更高的有点，因此，捷联惯导系 统在飞行器导航和姿态测量中得到了广泛的研究和应用。

然而，传统的姿态测量系统包括捷联式惯导普遍具有体积大，重量大，复杂程度高等特 点，使得传统的姿态测量系统无法应用于日常应用。同时，传统的捷联惯导系统一般需要一 个寻北系统的辅助来获得载体的方位角，但是传统的寻北系统多为基于陀螺的系统，其体积 和复杂度也是日常应用所无法接受的。可见，对于对体积具有严格限制的嵌入式系统而言， 需要研制一种小型的姿态测量系统来满足其姿态测量的要求。MEMS 技术和MR 技术的快 速发展，为研制这种低成本，小体积，高集成度的姿态测量系统提供了可能，从而可以使得 对体积和成本敏感的系统具有姿态测量的能力。

本文论述了由MEMS 加速度计和MR 传感器组成的姿态测量系统。在本系统中，三轴 MEMS 加速度计用来获得载体基于重力向量的俯仰角和横滚角，而三轴MR 传感器的输出 经过以俯仰角和横滚角为参数的矩阵变换后可以给出载体相对于地磁北极的方位角。

2. 硬件描述：

本论文论述的姿态测量系统主要由三轴MEMS 加速度计，三轴MR 传感器，ARM 内核 微控制器和用于显示结果的LCD 显示器组成。

2.1 三轴MR 传感器

本系统选用了 Honeywell 的HMC2003 三轴磁阻传感器。HMC2003 是一个高灵敏度三 轴MR 传感器，它是由单轴MR 传感器HMC1001 和双轴MR 传感器HMC1002 组合而成。 其精度可以达到400ugauss，量程为±2gauss，灵敏度为1V/gauss。磁阻传感器在经历了强磁 场之后会被磁化而引起磁滞，从而引起输出信号的失真，Honeywell 的“set/reset”功能可以 消除这种磁滞而使传感器恢复到正常的工作状态。

2.2 三轴MEMS 加速度计： 本系统中的加速度计选用了 Freescale 的MMA7260Q 单片三轴加速度计。MMA7260Q 是一个低成本的电容式微机械加速度计，其内部具有信号调整、单极低通滤波器、温度补偿 等功能，其量程可以通过编程选择1.5g/2g/4g/6g 之一。其主要特点如下：

微处理器：

本系统选用的微处理器为 Atmel 公司的At91sam7s64 ARM 微控制器。At91sam7s64 是基于32 位ARM 内核的低管脚数高性能并且内置Flash 的微控制器。其内部集成了64k 字节Flash 和16k 字节的SRAM 以及大量的外设接口，例如两个USART 接口，可以分别用 来与PC 机通信和控制串口LCD 屏显示测量结果。其具有一个 10 位的SAR 逐次逼近式A/D 转换器，并具有8 选1 模拟复用器。A/D 转换器的采样率可以达到384ksps。At91sam7s64 的ARM 内核的最高运行频率可以达到55MHz，0.9Mips/MHz，以上的特点使At91sam7s64 非常适合于低成本体积敏感的姿态测量系统。

2.4 硬件结构：

本系统的硬件结构如图2.4 -1 所示。 由于At91sam7s64 具有片上A/D 转换器而且具有8 选1 模拟复用器，使得MMA7620Q 和HMC2003 可以直接与微控制器相连而不必外加A/D 转换器和复用器，不仅降低了系统的 成本和体积，提高了系统的集成度，同时减少了误差源，提高了精度。经过A/D 转换的测量数据经过ARM 核的处理后，被送到串口LCD 并通过RS232 接口送入PC 机进行进一步 的分析。