微型慣性測量裝置MIMU(Micro Inertial Measure-ment Unit)以其尺寸小,、成本低等特點不僅在傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域得到應(yīng)用，而且在商業(yè)領(lǐng)域占據(jù)了一定的市場,。本文設(shè)計了一個高度集成,、低功耗及低成本的微型慣性測量裝置，可精確地測算出載體的航向角,、俯仰角及位置等信息,，為運動軌跡跟蹤實驗打下了基礎(chǔ)，也可廣泛地應(yīng)用于民用航空,、車輛控制,、機(jī)器人、工業(yè)自動化,、探礦,、玩具等領(lǐng)域。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
1．1 慣性測量器件選擇
根據(jù)運動軌跡跟蹤的特征和實驗本身的特點,，微慣性測量裝置應(yīng)該滿足下列設(shè)計要求：體積小,、質(zhì)量輕、功耗低,、采集頻率和采集精度高,、成本低以及抗沖擊能力強(qiáng)。為了實現(xiàn)這些需求,，微慣性測量裝置的硬件主要由微慣性傳感器單元MEMS和微處理器單元DSP組成,。微慣性傳感器單元由微機(jī)械陀螺和微加速度計組成，可精確測量載體的3個軸向角速度信息和3個軸向加速度信息,。
加速度計是慣性導(dǎo)航與慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的一類重要敏感元件,，用來測量運載體相對慣性空間運動的加速度，經(jīng)過積分和相關(guān)的運算就能得到載體空間的位置,。加速度計是一個直接測量元件,，它能連續(xù)測量運載體的加速度，然后經(jīng)過計算機(jī)解算出運載體速度,、經(jīng)緯度及航程等,。本系統(tǒng)采用的KXR94加速度計芯片是Kionix公司生產(chǎn)的三軸加速度計。該加速度計內(nèi)部已經(jīng)對溫度和電壓波動引起的偏差進(jìn)行了設(shè)計補(bǔ)償,，因此由于電壓和溫度引起的偏差較小,。該器件測量范圍為±2 g，靈敏度系數(shù)為560 mV／g，非線性度為0．1％,，零加速度漂移為±150 mg,；2．8～3．3 V均可工作；功耗很低,，靜態(tài)電流約1.1 mA,。其原理圖如圖1所示。
陀螺儀用來測量載體的運動角速度,。本設(shè)計中選用InvenSense公司生產(chǎn)的IDG-300雙軸陀螺,，其精度穩(wěn)定在±3°／s以內(nèi)需要200 ms。該器件采用3．0～3．3 V供電,；測量偏航角速度的范圍是±500°／s,，靈敏度為2 mV／(rad·s－1)，零位輸出電壓為1．5 V,；通過外部電阻和電容可分別設(shè)定測量角速度的范圍,、帶寬及零位輸出電壓。其原理圖如圖2所示,。
此陀螺未對內(nèi)部溫度和電壓引起的波動進(jìn)行補(bǔ)償,，在設(shè)計中要充分考慮?？蓮膬蓚€方面來彌補(bǔ)其不足：①在電路板布局設(shè)計時,，陀螺和加速度計芯片要盡量遠(yuǎn)離電路板上電源、串口等發(fā)熱和電壓波動大的芯片,；②在軟件算法設(shè)計時，運用陀螺的溫度漂移系數(shù)對其進(jìn)行修正,。
1．2 硬件電路設(shè)計
DSP采用TI公司發(fā)布的C2000系列32位定點信號處理器TMS320F2812,。其整合了高性能的DSP內(nèi)核、128 KB的片上Flash存儲器,、16路12位A／D轉(zhuǎn)換器以及SCI串行通信接口,。傳感器單元所測得的模擬量經(jīng)集成在DSP片上的A／D轉(zhuǎn)換器采集寫入片上Flash。所有信息在通過DSP的捷聯(lián)慣導(dǎo)處理后得到被測目標(biāo)的位置信息,。最終結(jié)果通過RS232直接發(fā)送至上位機(jī),，并顯示輸出。
在系統(tǒng)的構(gòu)建中使用了2個IDG－300型陀螺儀,，其中一個軸向的角度測量可以作為冗余設(shè)計,。又因算法要求對加速度計和陀螺模擬信號的采集嚴(yán)格控制在同一時刻，故選用了2片AD684采樣保持放大器,。AD684的每個采樣通道可以在1μs內(nèi)完成采樣,，而信號的損失率不高于0．01 μV／μs，且擁有很好的線性度和交流特性。AD684的控制信號為S／Hn,，將此引腳拉低則進(jìn)行采樣保持,。系統(tǒng)將2片AD684的S／Hn信號連接到DSP的1個I／O引腳上，這樣可將所有采集信號采樣保持,，為DSP采集做好準(zhǔn)備,。圖3是慣性測量裝置的硬件連接圖。DSP外設(shè)部分采用3．3 V供電,，故其SCI引腳的信號特性為TTL電平,。在實際使用時通常需要將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平。系統(tǒng)中選用MAX3232將DSP的SCI接口信號轉(zhuǎn)換成計算機(jī)的RS232信號進(jìn)行通信,。這是因為RS232的工作范圍是－15～+15 V,。如此寬的范圍即使存在電壓衰減，傳輸信號也可以被可靠地識別,；而一般情況下傳輸線路越長,，衰減就越嚴(yán)重。因此,，在同等情況下RS232更能實現(xiàn)長距離傳輸,。為了使裝置實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，同時考慮到RS232接口的通用性,，本系統(tǒng)選擇MAX3232用于與上位計算機(jī)通信,。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
慣性導(dǎo)航系統(tǒng)屬于一種推算導(dǎo)航方式，即根據(jù)連續(xù)測得的運載體航向角和速度,，從一已知點的位置推算出其下一點的位置,，因而可連續(xù)測出運動體的當(dāng)前位置。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的陀螺儀用來形成一個導(dǎo)航坐標(biāo)系,，使加速度計的測量軸穩(wěn)定在該坐標(biāo)系中,，并給出航向和姿態(tài)角；加速度計用來測量運動體的加速度,，經(jīng)過對時間的一次積分得到速度,，再經(jīng)過對時間的一次積分即得到距離。故該裝置在測量載體角速度與加速度信息的基礎(chǔ)上,，能夠確定運載體的位置和地球重力場參數(shù),，從而實現(xiàn)載體的多種運動狀態(tài)信息的測量。本系統(tǒng)在DSP復(fù)位以后,，首先進(jìn)行芯片的初始化,，配置PLL、ADC,、GPIO,、SCI等各個功能模塊,，之后對AD684等外設(shè)進(jìn)行配置；當(dāng)AD684完成加速度計和陀螺儀的信號采集后,，進(jìn)入定位解算程序,，將結(jié)果存入緩沖區(qū)；最后向上位機(jī)輸出定位信息,。系統(tǒng)軟件流程如圖4所示,。
3 實驗結(jié)果
在實驗室條件下，將微型慣性測量裝置捆綁到人的腿部,，分別進(jìn)行了被測人員下樓梯和繞環(huán)形樓道行走的跟蹤實驗,。實驗結(jié)果證明，該裝置能正確跟蹤被測人員的每一步行蹤,，且效果良好,。圖5和圖6為兩種情況下該裝置輸出的被測人員的移動軌跡。
4 結(jié) 論
本系統(tǒng)由TMS320F2812信號處理器,、IDG－300型陀螺儀和KXR94加速度計組成了一個微型慣性測量裝置,。該裝置可準(zhǔn)確跟蹤運動目標(biāo)，具有體積小,、質(zhì)量輕,、功耗低、成本低等優(yōu)點,。鑒于該裝置的特點,，還可應(yīng)用于帶有運動檢測和狀態(tài)感知的手機(jī)，以監(jiān)視手機(jī)所在位置和被使用狀況,；帶有硬盤保護(hù)系統(tǒng)的筆記本電腦和媒體播放器,；可移動游戲機(jī)，通過改善當(dāng)前游戲界面和開發(fā)新的基于運動的游戲,，提供更多互動,、直觀和趣味性強(qiáng)的游戲體驗；數(shù)碼相機(jī),，通過檢測位置、運動和振動而自動幫助用戶更好地拍照等,。