淺析一種姿態系統的實現方法

蘇瑞 鄧宇 孫瑜

摘 要 本文給出了一種小型姿態系統的實現方法，介紹了該系統的硬件框圖及數據解算。該系統基于MEMS器件搭建，采用模塊設計，可實現小機動情況下的高精度姿態測量。最后給出機載試驗的驗證結果。

關鍵詞 姿態系統;傳感器

引言

在小型飛行器中，由于其本身的體積和重量都很小，要求飛行器導航系統上應用的運動測量設備既要保證一定的精度，又能盡量減小導航設備的體積和重量。傳統的機械轉子陀螺結構復雜，易磨損、壽命短，激光陀螺和光纖陀螺性能穩定、可靠性高，但其高昂的價格限制其在某些場合的應用。相比之下，基于微電子機械系統（MEMS）器件而搭建的慣性系統具有體積小、功耗低、質量輕、響應快、靈敏度高、成本低等優點，加以濾波和算法修正，可以達到在小型飛行器上的應用要求。

1系統概述

本姿態系統采用基于MEMS三軸陀螺儀和三軸加速度計構建的慣性系統，通過內置高性能處理器，采用捷聯慣性姿態算法實現靜態和動態角度測量。其中三軸加速度用于跟蹤靜態角度解算，三軸陀螺用于跟蹤動態角度解算。可以測量的姿態參數包括全姿態橫滾角、俯仰角、角速度和加速度等8路信號，通過RS232格式信號編碼輸出，并可通過D/A轉換器以模擬信號形式輸出各路信號，輸出信號與角度/角速度/加速度呈線性關系。系統組成框圖如圖1。

2工作原理

本姿態系統采用模塊化設計，包括電源模塊、數字式慣性系統（包含IMU信息處理模塊和捷聯航姿解算模塊）、DA輸出模塊、殼體和接插件等功能單元。

2.1 電源模塊

電源模塊用于將機載28V電源轉換為信號處理電路和數字式慣性系統所需的15V供電，主要包括極性保護及干擾濾波兩部分，電路原理如圖2所示。極性保護電路采用二極管極性保護電路D2，選用1N4148型開關二極管。電磁干擾濾波電路選用有關廠家推薦的典型參數。

2.2 數字式慣性系統

數字式慣性系統通過內置高精度6自由度慣性測量單元IMU實現載體的三軸向角速率和加速度測量。其中三軸向陀螺用以敏感載體運動角速度，經信號預處理后，提供載體姿態計算原始信息，最終通過姿態四元數算法計算載體姿態信息。由于陀螺精度較低，漂移較大，長時間工作不能保證測量精度。利用三軸向加速度計測量重力在載體三軸向上的分量，可以計算出載體相對于當地地理水平面的傾角。由于加速度計測量精度較高，其角度解算精度也很高，因此可利用加速度計輸出作為觀測量，采用卡爾曼濾波器構造一個可變增益的閉環反饋系統，來修正因陀螺漂移造成的姿態誤差，從而實現動靜態運動條件下載體姿態的高精度測量。工作原理如圖3所示。

2.3 D/A輸出模塊

D/A輸出模塊包括D/A轉換部分和信號放大、濾波部分。其中D/A轉換采用專用四通道轉換芯片AD5324，該芯片為12位單極性信號輸出，輸出信號范圍為0V～Vref。

為了提高放大電路的精度、方便調零和濾波電路的設計，放大電路采用了兩級放大，采用美國AD公司的OP297芯片。該芯片內部集成兩個運算放大器，具有低輸入偏置電壓、高開環增益、低噪聲密度等突出特點。第一級為減法電路，由RefF02Bu及電阻網絡產生約0.94V基準電壓Vref，反向放大2倍后與D/A輸出電壓值疊加，輸出-1.875V～1.875V電壓信號。第二級為反向放大、濾波電路，通過電阻網絡設定其增益為-2、通帶截止頻率為10Hz，從而把上級輸出放大成穩定的-3.75V～+3.75VDC雙極性標準電壓信號。原理圖如圖4所示。

2.4 軟件解碼算法

數字式慣性系統的輸出為RS232信號格式的數據包，需對其解碼運算后再送入D/A轉換模塊。

數據包為37字節的十六進制數，格式如圖5所示。依次為通信協議起始字符（數據包頭）、橫滾角、俯仰角、偏航角、三軸向角速率、三軸向加速度、溫度、時間、狀態信息和CRC校驗碼。此處提取橫滾角、俯仰角、三軸向角速率和三軸向加速度共8路信號進行標度轉換，轉換為輸出電壓信號。

以橫滾角為例，解算公式為：

橫滾角=接收數據/（65536/量程）=接收數據*量程/65536? ? ? ? ?（1）

輸出電壓=橫滾角*（電壓量程/角度量程）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

由于采集數據為實數，編碼時采用補碼，首先要對補碼進行范圍轉換，再根據實際應用的量程對數據范圍進行截取限定。按照公式1、公式2進行解算和標度轉換后，進行CRC校驗，如無誤碼，則輸出轉換的電壓，出現誤碼則丟棄該數據包，重新接收。

3試驗驗證

該姿態系統經兩次機載試驗，與機載地平儀的輸出信號進行比對。

試驗中平飛、懸停、機動產品輸出正常，動態跟隨性好，但在連續大機動、加速-平飛-懸停段，產品輸出發散，誤差大。因此該系統僅能應用在小機動條件下。數據如圖6、圖7所示。

4結束語

由試驗結果可知，該系統質量輕、響應快、靈敏度高，可滿足小機動條件下的小型飛行器的姿態測量。該小型姿態系統目前已裝機使用。

參考文獻

[1] 張謙，裴海龍，羅沛.基于MEMS器件的姿態航向參考系統設計及應用.2007，28（3）：631-634.

[2] 黃旭，王常虹.基于微機械慣性器件和磁強計的姿態航向系統.2005，24（8）54-56.