基于MEMS传感器的运动物体轨迹仿真研究

作者 张文瑞 张丕状 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室(山西 太原 030051)

张文瑞(1991-)，女，硕士生，研究方向：信号处理;张丕状，男，教授，博士，研究方向：信号与信息处理、嵌入式、惯性导航技术等。

摘要：本文构建了以MPU6050传感器为核心的数字采集系统，实时采集得到三轴陀螺仪和三轴加速度计随直径为25cm转台旋转一周的运动数据，基于四元素的姿态更新算法描绘其运动轨迹;为验证算法的正确性，分析了传感器在转台上的运动过程，通过计算机仿真模拟上述运动，得到传感器输出数据，仍通过上述算法解算运动轨迹。仿真出运动轨迹确实近似是直径为25cm的圆，从而验证了此算法的准确性。此外，通过对比仿真轨迹结果和实际数据解算运动轨迹，发现由于运动时间延长，陀螺漂移和积分累积误差对轨迹测量的精度有着不可忽视的影响;MPU6050传感器精度太低，适用于短时间低速运动或微小旋转角度场合。

引言

　　现如今，在惯性测量领域已经广泛运用MEMS技术进行加速度、速度以及位移的测量控制，如：测量人体某个部位的运动状态^[1]，飞行器某时刻的姿态信息、轨迹航向[2]等。查阅国内外许多参考文献发现，对MEMS传感器的各种应用，人们还在不断地探索，未来五到十年应该是该领域高速发展的又一新阶段^[3]。例如香港大学的学者们在致力于研究一种基于MEMS惯性传感器的电子笔，它可以无接触地重构出笔端的运动轨迹;德国慕尼黑大学的学者们也在试图利用这种 MEMS惯性单元识别出载体的运动轨迹^[4-6];国内国防科技大学、中国计量学院也都在积极地做这方面的研究^[7-8]。

　　由于受MEMS传感器精度的影响，现有的研究成果普遍存在着轨迹重构的精度不够高，姿态误差随时间积累效应明显等缺点，为探究传感器精度对轨迹重构的影响程度，本文尝试利用低精度传感器MPU6050重构物体运动轨迹。通过仿真模拟传感器装置在转台上运动情况，对比仿真结果和实测结果，分析影响实测结果的主要因素。

　　研究思路如下：在直径为25cm，顺时针方向旋转的低速转台上按如下安装方式将传感器装置尽量水平安装在转台上，并随转台旋转一周，利用相关算法描绘运动轨迹。为验证算法的正确性，模拟了传感器在转台上运动时三轴加速度和角速度输出，仿真其运动轨迹。

　　MPU6050传感器相关技术指标如下：

　　1)加速度传感器技术指标：初始标定误差：±3%; 零偏输出：X、Y轴：±50 mg，Z轴：±80 mg。

　　2)陀螺仪传感器技术指标： 初始标定误差：±3%;零偏输出：±20°/s(温度25℃)。

　　笔者曾对影响加速度传感器精度的一些指标(如加速度计的零偏和标度因子)运用六位置法^[9]进行加速度计静态校准，结果：X轴零偏误差缩小到22.5mg，标度因子误差缩小在-0.15%～0.5%;Y轴零偏误差缩小到8.2mg，标度因子误差缩小在0.25%～1.3%;Z轴零偏误差缩小到37.83 mg，标度因子误差缩小在-1.85%～0.43%，相比上述技术指标，传感器精度明显得到改善。此外，运用论文[10]里提到的椭球拟合法对安装过程中存在的非正交误差角做了相关校准和补偿，能有效减小加速度计的非正交误差对传感器测量误差的影响。

1 转台实验研究方法和仿真传感器数据生成

1.1 转台实验研究方法

　　实验中，转台以顺时针方向旋转，依靠电机驱动，获得运动角速度，通过计算得到角加速度近似为0.37 rad/s2。传感器Z轴沿竖直方向向上，X轴指向转台圆心，Y轴沿运动方向。理想情况下，传感器Z轴角速度即为转台角速度，另两轴无角速度;但由于传感器装置在转台上的安装并非水平，使得传感器各轴与转台平面存在微小的倾角，导致转台角速度和传感器Z轴角速度并不完全一致。从运动学合成和分解的角度出发，传感器各轴角速度输出是由转台角速度提供，即转台角速度矢量在传感器三轴的分量即为其瞬时角速度输出。图1给出了简易转台旋转装置的俯视图。