基于MEMS微慣性器件的三軸穩定平臺

蔣孝勇++米瑞甫++程壑++杜睿

摘 要：隨著微電子技術的發展，民用和軍用設備微型化、低功耗及多功能化成為發展趨勢，文中設計了應用于實驗教學的基于MEMS微慣性器件的三軸穩定平臺。該平臺采用領先的智能傳感器技術設計而成，可實現完全自主姿態監測，有助于學生了解陀螺穩定平臺并掌握相關原理、技術及其應用，為陀螺穩定平臺的深入研究打下堅實基礎。

關鍵詞：MEMS；三軸陀螺；穩定平臺

1 作品簡介

本設計主要應用于實驗教學。平臺采用領先的智能傳感器技術，包括三軸MEMS陀螺、三軸MEMS加速度計和三軸MEMS磁強計傳感器。平臺控制系統由姿態信息采集和姿態解算與動力控制兩個基本單元組成。姿態信息檢測單元通過MEMS陀螺儀檢測平臺的俯仰、橫滾航向角獲取陀螺和加速度計數據，由MEMS加速度計對姿態信息進行校正，經處理后發送給姿態解算與動力控制單元，然后由該單元將獲取到的慣性傳感數據進行數據融合，解算姿態信息，并利用控制策略控制平臺動力系統，使平臺的橫滾內框保持平穩。平臺姿態解算加入Kalman濾波技術，由嵌入式單片機完成，由電機執行，采用PWM波控制。學生可分別做陀螺、加速度、電子羅盤和航姿綜合實驗等。本實驗系統有助于學生理解和掌握慣性導航、航向姿態、運動狀態測量的原理、技術及其應用。MEMS三軸穩定平臺系統如圖1所示。六自由度IMU姿態測量單元如圖2所示。三軸穩定平臺模型如圖3所示。

2 工作原理

2.1 整體方案

平臺控制系統由姿態信息采集和姿態解算與動力控制兩個基本單元組成，如圖4所示。姿態信息檢測單元獲取陀螺、加速度計、磁羅盤的數據，經處理后發送給姿態解算與動力控制單元，然后由該單元將獲取到的慣性傳感數據進行數據融合，解算俯仰和橫滾、航向姿態信息，并利用控制策略控制平臺動力系統，使平臺的橫滾內框保持平穩。三軸穩定平臺原理框圖如圖4所示。

2.2 姿態采集

姿態檢測單元主要負責三軸MEMS陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁力計的數據采集與信號處理。MEMS陀螺信號采集方面，設計了模擬信號的低噪聲信號調理電路和高精度的AD轉換電路，將獲取到的MEMS陀螺信號進行噪聲分析和濾波處理，然后通過對MEMS微陀螺的測試標定，利用誤差補償算法改善陀螺信號。MEMS加速度計方面，設計了基于SPI總線通信的數據獲取軟、硬件系統，以提取三軸加速度信息。然后將獲取并處理過的兩軸MEMS陀螺和三軸加速度計數據通過自定義的通信協議經422總線以固定頻率發送出去。姿態采集模塊原理框圖如圖5所示。

2.3 數據融合與姿態控制

姿態解算和控制單元以被動的中斷方式進行姿態信息數據獲取，獲取信息后先利用三軸加速度信息計算基于加速度計的瞬時俯仰和橫滾角作為觀測量，結合兩軸向的陀螺數據，利用Kalman濾波數據融合算法對下一時刻姿態角進行預估計；然后以此為依據，利用PID算法計算角度控制增量，并將此角增量信息通過485總線傳遞給數字舵機，由舵機反向旋轉后使兩軸穩定平臺恢復初始位置，使平臺系統內框架保持平穩。

3 創新點

（1）傳感模塊中采用小體積、低功耗的MIMU，電源可內置，實現完全自主姿態監測。各模塊實物圖如圖6所示。

（2）采用針對MEMS陀螺模擬角速率信號配置高精度差分采集電路。陀螺A/D轉換與數字輸出零偏測試積分對比如圖7所示。

（3）姿態解算加入Kalman濾波技術，使得陀螺應用精度提升6倍以上，由MEMS加速度計對姿態信息進行校正。Kalman濾波前后陀螺性能對比如圖8所示。

（4）建立了微機械陀螺零偏，標度因子隨溫度變化的誤差模型，補償后微機械陀螺儀精度提高2～3個數量級。溫度誤差模型效果如圖9所示。

圖9 溫度誤差模型效果圖

（5）執行機構舵機采用PWM波控制，反應速度20 ms。

（6）平臺控制加入自動調平和找北功能。

（7）編寫基于VC的上位機軟件，可對平臺控制情況進行實時監測。

4 市場前景

隨著微電子技術的發展，民用和軍用設備微型化、低功耗及多功能化成為發展趨勢?；贛EMS慣性器件的穩定平臺具有上述特點，在軍事民用領域得到廣泛應用，廣闊的應用前景使得穩定平臺成為各國數十年來的研究熱點。目前國內主要研究單位有中電39所、清華大學、西安電子科技大學、南京航空航天大學等。作為學生教學儀器的三軸陀螺穩定平臺有助于學生由淺入深地了解陀螺穩定平臺，并理解、熟悉、掌握慣性導航航向、姿態運動狀態測量的原理、技術及其應用，為慣性組件的學習及陀螺穩定平臺的深入研究打下堅實基礎。穩定平臺教學儀器如圖10所示。endprint