1. 介紹：
傳統(tǒng)的姿態(tài)測量系統(tǒng)采用捷聯(lián)式慣導系統(tǒng)(SINS)，相比平臺式慣導系統(tǒng)而言,，其具有 體積相對更小,，成本相對更低，易于安裝和維護并且可靠性更高的有點,，因此,，捷聯(lián)慣導系統(tǒng)在飛行器導航和姿態(tài)測量中得到了廣泛的研究和應用。
然而,，傳統(tǒng)的姿態(tài)測量系統(tǒng)包括捷聯(lián)式慣導普遍具有體積大,，重量大，復雜程度高等特點,，使得傳統(tǒng)的姿態(tài)測量系統(tǒng)無法應用于日常應用,。同時，傳統(tǒng)的捷聯(lián)慣導系統(tǒng)一般需要一 個尋北系統(tǒng)的輔助來獲得載體的方位角,，但是傳統(tǒng)的尋北系統(tǒng)多為基于陀螺的系統(tǒng),，其體積和復雜度也是日常應用所無法接受的?？梢?，對于對體積具有嚴格限制的嵌入式系統(tǒng)而言， 需要研制一種小型的姿態(tài)測量系統(tǒng)來滿足其姿態(tài)測量的要求,。MEMS 技術和MR 技術的快 速發(fā)展,，為研制這種低成本，小體積,，高集成度的姿態(tài)測量系統(tǒng)提供了可能,，從而可以使得對體積和成本敏感的系統(tǒng)具有姿態(tài)測量的能力。
本文論述了由MEMS 加速度計和MR 傳感器組成的姿態(tài)測量系統(tǒng),。在本系統(tǒng)中,，三軸 MEMS 加速度計用來獲得載體基于重力向量的俯仰角和橫滾角，而三軸MR 傳感器的輸出經過以俯仰角和橫滾角為參數(shù)的矩陣變換后可以給出載體相對于地磁北極的方位角,。
2. 硬件描述：
本論文論述的姿態(tài)測量系統(tǒng)主要由三軸MEMS 加速度計,，三軸MR 傳感器，ARM 內核 微控制器和用于顯示結果的LCD 顯示器組成,。
2.1 三軸MR 傳感器
本系統(tǒng)選用了 Honeywell 的HMC2003 三軸磁阻傳感器,。HMC2003 是一個高靈敏度三 軸MR 傳感器，它是由單軸MR 傳感器HMC1001 和雙軸MR 傳感器HMC1002 組合而成,。 其精度可以達到400ugauss,，量程為±2gauss,，靈敏度為1V/gauss。磁阻傳感器在經歷了強磁 場之后會被磁化而引起磁滯,，從而引起輸出信號的失真,，Honeywell 的“set/reset”功能可以 消除這種磁滯而使傳感器恢復到正常的工作狀態(tài)。
2.2 三軸MEMS 加速度計： 本系統(tǒng)中的加速度計選用了 Freescale 的MMA7260Q 單片三軸加速度計,。MMA7260Q 是一個低成本的電容式微機械加速度計,，其內部具有信號調整、單極低通濾波器,、溫度補償 等功能,，其量程可以通過編程選擇1.5g/2g/4g/6g 之一。其主要特點如下：
微處理器：
本系統(tǒng)選用的微處理器為 Atmel 公司的At91sam7s64 ARM 微控制器,。At91sam7s64 是基于32 位ARM 內核的低管腳數(shù)高性能并且內置Flash 的微控制器,。其內部集成了64k 字節(jié)Flash 和16k 字節(jié)的SRAM 以及大量的外設接口，例如兩個USART 接口,，可以分別用 來與PC 機通信和控制串口LCD 屏顯示測量結果,。其具有一個 10 位的SAR 逐次逼近式A/D 轉換器，并具有8 選1 模擬復用器,。A/D 轉換器的采樣率可以達到384ksps,。At91sam7s64 的ARM 內核的最高運行頻率可以達到55MHz，0.9Mips/MHz,，以上的特點使At91sam7s64 非常適合于低成本體積敏感的姿態(tài)測量系統(tǒng),。
2.4 硬件結構：
本系統(tǒng)的硬件結構如圖2.4 -1 所示。 由于At91sam7s64 具有片上A/D 轉換器而且具有8 選1 模擬復用器,，使得MMA7620Q 和HMC2003 可以直接與微控制器相連而不必外加A/D 轉換器和復用器,，不僅降低了系統(tǒng)的 成本和體積，提高了系統(tǒng)的集成度,，同時減少了誤差源,，提高了精度。經過A/D 轉換的測量數(shù)據經過ARM 核的處理后,，被送到串口LCD 并通過RS232 接口送入PC 機進行進一步的分析,。
3. 姿態(tài)參數(shù)的獲得
在本系統(tǒng)中，三軸加速度計和三軸 MR 傳感器都以以下的方式安裝于電路板上：它們 的X 軸平行于系統(tǒng)的橫軸指向右,，Y 軸平行于系統(tǒng)的縱軸指向前,，X、Y,、Z 軸定義為右手 坐標系統(tǒng),，如圖3 -1 所示。
3.1 俯仰角與橫滾角的獲得：
為了獲得系統(tǒng)基于重力向量的俯仰角θ 和橫滾角φ,，需要使用加速度計的三個輸出：Ax, Ay, Az ,。俯仰角和橫滾角可以通過以下公式(1)和公式(2)計算得到,。對于微控制器，函數(shù) 中的arctan(x) 需要通過以下公式(3)的泰勒展開后才能計算得到,。
3.2 方位角的獲得：
為了獲得系統(tǒng)相對于當?shù)氐卮畔蛄康姆轿唤?，需要使用MR 傳感器的三個輸出Mx, My, Mz 。當系統(tǒng)置于水平狀態(tài)時(俯仰角和橫滾角都為0)時,，方位角ψ 可以由公式(4)直 接給出,，但是在大多數(shù)情況下，系統(tǒng)并不是工作在水平狀態(tài),，此時地磁場的豎直分量將會影 響Mx 和My 的值,，因此不能直接由公式(4)獲得相對于地磁向量的方位角。為了在所有情況下都能獲得正確的方位角,，必須將俯仰角和橫滾角考慮在內，即必須通過以俯仰角和橫 滾角為參數(shù)的坐標變換,，將測得的(Mx, My, Mz)向量變換為與載體坐標系有相同方位角的 水平坐標系下的向量(M’x , M’y, M’z),，其變換矩陣如公式(5)。
至此,，系統(tǒng)的3 個姿態(tài)參數(shù)全部由公式(1)(2)(7)給出,。
4. 誤差分析：
本文論述的姿態(tài)測量系統(tǒng)主要由 MEMS 加速度計和MR 傳感器組成。由于現(xiàn)有MRMS 技術的限制,，其精度和傳統(tǒng)的加速度計還有一定的差距,，這將給所得到的俯仰角和橫滾角帶 來更大的誤差。MR 傳感器是對磁場敏感的器件,，當其被放置在鐵磁環(huán)境中的時候,，地球的 磁場將受到附近鐵磁環(huán)境的扭曲，這將導致方位角的誤差,。然而這種由于附近鐵磁物質的影響而引入的誤差是可以補償?shù)摹?/p>
5. 結論：
使用MEMS加速度計和MR傳感器構成的姿態(tài)測量系統(tǒng)有效的降低了整個系統(tǒng)的體積,、成本以及功耗，使得嵌入式系統(tǒng)也可以引入姿態(tài)測量的功能,。本文論述的姿態(tài)測量系統(tǒng)非常 適用于汽車導航,，機器人姿態(tài)測量等領域。本文的創(chuàng)新點在于使用MEMS 和MR 元件構造 了應用于嵌入式系統(tǒng)中的姿態(tài)測量系統(tǒng),，并詳細給出了各姿態(tài)參數(shù)的計算方法,。