孫春虎,，陳海波,，方愿捷

　?。ǔ埠W(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

       摘要：基于LabVIEW設(shè)計了一種飛行器加速度,、角速度及姿態(tài)角測量平臺系統(tǒng),。硬件系統(tǒng)采用計算機(jī)、6軸慣性導(dǎo)航模塊及USB轉(zhuǎn)TTL模塊,；軟件系統(tǒng)基于LabVIEW編寫了飛行器加速度,、角速度及姿態(tài)角的三維數(shù)據(jù)測量平臺系統(tǒng)。該系統(tǒng)還可應(yīng)用于船舶,、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的加速度,、角速度及姿態(tài)角的三維數(shù)據(jù)測量顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，該系統(tǒng)易于控制,，能方便地觀察加速度、角速度及姿態(tài)角的三維數(shù)據(jù)曲線,，并且當(dāng)6軸慣性導(dǎo)航模塊改變狀態(tài)時,，輸出曲線均能隨之改變并能快速達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。

　　關(guān)鍵詞：6軸慣性導(dǎo)航模塊; USB轉(zhuǎn)TTL模塊;LabVIEW;串口通信

0引言

　　通過對飛行器的實(shí)時加速度(慣性)的測量,，并進(jìn)行積分,，可獲得飛行器實(shí)時速度和實(shí)時位置數(shù)據(jù)。根據(jù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng),，從當(dāng)前點(diǎn)的位置根據(jù)連續(xù)測得的運(yùn)載體航向角和速度可推算出其下一點(diǎn)的位置,，因而可連續(xù)測出飛行器的當(dāng)前位置。實(shí)時角速度是飛行器研制過程中很重要的參數(shù)之一,它決定了飛行器能否穩(wěn)定飛行,，因而在飛行器飛行時必須知道每一時刻的飛行器角速度,。飛行器姿態(tài)角的測量意義在于確定飛行器的當(dāng)前姿態(tài)，以便進(jìn)行姿態(tài)控制［1］,。

　　本文利用計算機(jī),、6軸慣性導(dǎo)航模塊及USB轉(zhuǎn)TTL模塊，結(jié)合Labview軟件實(shí)現(xiàn)飛行器加速度,、角速度及姿態(tài)角的三維數(shù)據(jù)測量顯示,。該系統(tǒng)還可應(yīng)用于船舶、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的加速度,、角速度及姿態(tài)角的三維數(shù)據(jù)測量顯示,。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)易于控制，能方便地觀察加速度,、角速度及姿態(tài)角的三維數(shù)據(jù)曲線,，并且當(dāng)6軸慣性導(dǎo)航模塊改變狀態(tài)時，輸出曲線均能隨之改變并快速達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。

1測量系統(tǒng)總體設(shè)計

　　測量系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示,。

　　測量系統(tǒng)總體設(shè)計包括：計算機(jī)系統(tǒng),、USB轉(zhuǎn)TTL模塊及6軸慣性導(dǎo)航模塊。計算機(jī)系統(tǒng)主要是裝有LabVIEW軟件的計算機(jī),，USB轉(zhuǎn)TTL模塊用于計算機(jī)系統(tǒng)與6軸慣性導(dǎo)航模塊的相互通信,，6軸慣性導(dǎo)航模塊用于測量實(shí)時加速度、角速度及姿態(tài)角,。

2測量系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　測量系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括：USB轉(zhuǎn)TTL模塊設(shè)計和6軸慣性導(dǎo)航模塊設(shè)計,。

　　2.1USB轉(zhuǎn)TTL模塊設(shè)計

　　由于USB串口采用的是RS232電平，為負(fù)邏輯,，而6軸慣性導(dǎo)航模塊采用的是TTL電平,，為正邏輯，因而要使兩者通信就必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,，以實(shí)現(xiàn)電平的一致性,。USB轉(zhuǎn)TTL模塊原理圖［2］如圖2所示。

USB轉(zhuǎn)TTL模塊通過USB口的管腳1供電,，管腳2、3用于電腦發(fā)送或接收RS232電平數(shù)據(jù),，P1口用于6軸慣性導(dǎo)航模塊發(fā)送或接收RS232電平數(shù)據(jù),。

　　2.26軸慣性導(dǎo)航模塊設(shè)計

　　6軸慣性導(dǎo)航模塊［3］采用高精度陀螺加速度計MPU6050，模塊內(nèi)部集成了姿態(tài)解碼器,，結(jié)合動態(tài)卡爾曼濾波算法,，姿態(tài)測量精度0.01°，穩(wěn)定性極高,；數(shù)據(jù)輸出接口有串口和I2C口,，I2C接口可以滿足高級用戶訪問底層測量數(shù)據(jù)的需求，但無姿態(tài)輸出,，且所測數(shù)據(jù)均為X,、Y、Z軸上的三維數(shù)據(jù),；波特率有115 200 bit/s和9 600 bit/s兩種模式,，對應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出幀率分別為100 Hz和20 Hz。6軸慣性導(dǎo)航模塊管腳圖如圖3所示,。

　　由圖3可知：管腳1~4用于串口數(shù)據(jù)通信,，管腳5~8用于I2C口數(shù)據(jù)通信，本文選用串口數(shù)據(jù)通信,。

3測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)包內(nèi)容和計算公式分析

　　測量模塊發(fā)送到計算機(jī)的每幀數(shù)據(jù)分為3個數(shù)據(jù)包,，分別為加速度包、角速度包和姿態(tài)角包。由于這3個數(shù)據(jù)包分析方法相同,，這里只以姿態(tài)角包為代表進(jìn)行內(nèi)容和計算公式的分析,。

　　姿態(tài)角包的內(nèi)容如表1所示。當(dāng)計算機(jī)接收到連續(xù)兩個數(shù)據(jù)內(nèi)容為0x55,、0x53時,，則可判斷此時接收到的數(shù)據(jù)包為姿態(tài)角包；從下一個數(shù)據(jù)開始的連續(xù)6個數(shù)據(jù)為X,、Y,、Z軸上的三維數(shù)據(jù)；每維數(shù)據(jù)為16 bit,，以低字節(jié),、高字節(jié)的次序傳送。

　　姿態(tài)角X,、Y,、Z軸上的三維數(shù)據(jù)（滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角）計算公式如式（1）,、式（2）,、式（3）所示。

　　由式（1）,、（2）,、（3）可以看出：計算滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角時都需要將高字節(jié)數(shù)據(jù)左移8 bit,，然后與低字節(jié)按位或得到16 bit數(shù)據(jù),，再除以32 768，最后乘以180即可得到各自角度,。若此時16 bit數(shù)據(jù)小于32 768時,，則此時角度為正值；否則此時角度為負(fù)值,。

4測量系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　測量系統(tǒng)軟件設(shè)計包括：前面板設(shè)計,；串口讀寫設(shè)計；加速度,、角速度和姿態(tài)角度讀取及計算設(shè)計,；加速度、角速度和姿態(tài)角顯示設(shè)計,。

　　4.1前面板設(shè)計

　　前面板設(shè)計［4］如圖4所示,。 通過前面板可以對串口號、波特率,、數(shù)據(jù)位等通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,；加速度,、角速度和角度輸出控制開關(guān)可以在波形圖表上顯示相關(guān)量的三維數(shù)據(jù)曲線；AX,、AY,、AZ為加速度三維數(shù)據(jù)顯示；WX,、WY,、WZ為角速度三維數(shù)據(jù)顯示；RX,、RY,、RZ為姿態(tài)角三維數(shù)據(jù)顯示。

　　4.2串口讀寫設(shè)計

　　VISA配置節(jié)點(diǎn)用于通信的初始化設(shè)置,；VISA寫節(jié)點(diǎn)用于向6軸慣性導(dǎo)航模塊寫入初始化控制字,，以選擇通信接口模式和波特率設(shè)定；延時500 ms是使6軸慣性導(dǎo)航模塊有足夠的時間完成初始化,；VISA串口字節(jié)數(shù)節(jié)點(diǎn)用于統(tǒng)計輸入緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù),；VISA讀節(jié)點(diǎn)從讀取緩沖區(qū)讀取指定字節(jié)數(shù)的數(shù)據(jù)。串口讀寫設(shè)計［5~6］如圖5所示,。

　　4.3加速度,、角速度和姿態(tài)角讀取及計算設(shè)計

　　由于加速度、角速度和姿態(tài)角讀取及計算過程相似,，這里只以姿態(tài)角為代表進(jìn)行讀取和計算設(shè)計,。姿態(tài)角讀取與計算設(shè)計［7］如圖6所示。

　　搜索1維數(shù)組函數(shù)用于找到角度包的包頭及在數(shù)組中的位置,；然后就可以根據(jù)表1和式（3）求解角度的三維數(shù)據(jù)RX、RY,、RZ,；圖中子VI函數(shù)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)角的正負(fù)值判別與處理。

　　4.4加速度,、角速度和角度顯示設(shè)計

　　加速度,、角速度和姿態(tài)角顯示設(shè)計的目的是：當(dāng)這3個控制開關(guān)任何1個按下時，波形圖表應(yīng)顯示該控制量所對應(yīng)的三維數(shù)據(jù)曲線,。如果同一時刻有兩個以上按鍵按下,，那么在1個波形圖表上將顯示6條或9條數(shù)據(jù)曲線，造成相互重疊且不方便觀察,，因此,，任一時刻只允許1個控制按鍵按下，顯示3條曲線,。程序框圖［8］如圖7所示,。

5測量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　實(shí)驗(yàn)1：將串口設(shè)為COM4,、波特率9 600 bit/s、數(shù)據(jù)位8位,、停止位1位,、無校驗(yàn)位；根據(jù)系統(tǒng)總體圖連好硬件,，并把6軸慣性導(dǎo)航模塊放在某一固定位置保持不動,；分別打開加速度、角速度和姿態(tài)角開關(guān),，運(yùn)行LabVIEW程序,；所得到對應(yīng)的三維數(shù)據(jù)曲線如圖8~圖10所示。

　　實(shí)驗(yàn)2：將串口設(shè)為COM3,、波特率9 600 bit/s,、數(shù)據(jù)位8位、停止位1位,、無校驗(yàn)位,；根據(jù)系統(tǒng)總體圖連好硬件，并把6軸慣性導(dǎo)航模塊先放在某一固定位置,；打開姿態(tài)角開關(guān),，然后運(yùn)行LabVIEW程序；等輸出波形穩(wěn)定后,，再把6軸慣性導(dǎo)航模塊放到另一固定位置,。所得到姿態(tài)角的三維數(shù)據(jù)曲線如圖11所示。

　　由圖8可以看出,，此時加速度三維數(shù)據(jù)AX,、AY、AZ輸出波形還是很穩(wěn)定的,，且AX≈1.04 m/s2,、AY≈1.09 m/s2、AZ≈10.42 m/s2,。

　　由圖9可以看出,，此時角速度三維數(shù)據(jù)WX、WY,、WZ輸出波形還是較穩(wěn)定的,，且WX≈-1.71 rad/s、WY≈0.79 rad/s,、WZ≈-1.16 rad/s,。

　　由圖10可看出,此時姿態(tài)角三維數(shù)據(jù)RX、RY,、RZ輸出波形是非常穩(wěn)定的,，且RX≈5.80°,、RY≈-5.54°、RZ≈0°,。

　　由圖11可看出,當(dāng)6軸慣性導(dǎo)航模塊位置改變時,，姿態(tài)角三維數(shù)據(jù)RX、RY,、RZ輸出波形也會快速改變并進(jìn)入一種新的穩(wěn)定狀態(tài),，且穩(wěn)定時RX≈17.28°、RY≈-5.52°,、RZ≈-2.46°,。

　　由實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2可得出結(jié)論：該加速度,、角速度及姿態(tài)角檢測系統(tǒng)還是很穩(wěn)定和精確的,；且當(dāng)6軸慣性導(dǎo)航模塊位置改變時，檢測系統(tǒng)也能快速響應(yīng)并顯示新的穩(wěn)定位置數(shù)據(jù),，具有很強(qiáng)的實(shí)時顯示特性,。

6結(jié)論

　　本文所設(shè)計的飛行器加速度、角速度和姿態(tài)角測量顯示系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和精確性,；并能對飛行器的位置變化產(chǎn)生快速響應(yīng)和實(shí)時顯示特性,。所設(shè)計的飛行器加速度、角速度和姿態(tài)角測量系統(tǒng)具有一定的參考與應(yīng)用價值,。

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