ADISl6300四自由度IMU在姿态测量中的应用

电源招聘专家ADISl6300四自由度IMU在姿态测量中的应用近年来，微机电系统(MEMS)技术广泛用于汽车的系统和稳定系统、医学系统、便携式照相机、运动装置和三维鼠标等领域。简单和小体积的惯性测量系统尤其受到关注，因此，基于MEMS的高精度、重量轻、小体积的姿态测量系统将得到广泛的应用。本文将介绍一种ADI公司的惯性传感器以及由其组成的微小姿态测量系统。1ADISI6300简介ADISl6300四自由度(4DoF)iwu是一个完整的惯性测量传感器，其内置单轴陀螺仪和三轴加速计，每个传感器都实现了iMEMS(MoTIonSig-nalProcessingTechnology)技术与信号调理技术的完美结合，可提供最优化的动态性能。工厂校准为每个传感器提供灵敏度、偏置、对准和线性加速度特性。因此，每个传感器都拥有自身的动态补偿，从而可以在4．75～5．25V的电源范围内进行精确的传感器测量。由于AD-ISl6300所有必要的运动检测与校准都是在工厂完成，大幅缩短了系统集成时间，并降低了测试设备成本。ADISl6300采用改进的SPI接口，可提供更快的数据收集与配置控制，用户实现就像供电及连接SPI(串行外设接口)端口一样简单。ADISl6300采用23mmx31mmX7．5mm封装，具有2000g额定耐冲强度，并提供了一个标准的连接接口，使其能方便水平或垂直安装。ADISl6300角速度检测的动态范围具有±75、±150以及±300(°)／s3种选项，三轴加速度的动态范围为±3g，可提供350Hz带宽，高达1200次／秒的采样速率，并具有嵌入式与可编程数字滤波功能。ADISl6300其价格仅为其他同级产品的1／10，可广泛应用于医疗仪器、机器人、惯性测量单元、导航控制等领域。2ADISl6300结构功能如图1所示，图(a)为ADISl6300的坐标系，其标出了每个惯性传感器(陀螺仪和加速度计)的测量朝向。图(b)为ADISl6300的标准接口引脚配置图，引脚16，17，18，19，22，23，24是没有连接的预留引脚；引脚10，11，12为电源VCC；引脚13，14，15为电源GND；引脚3，4，5，6分别为SPI接口的时钟，数据输出，数据输入和器件选择引脚；引脚1，2，7，9分别为配置数据输入／输出引脚；引脚8为复位引脚；引脚21，22分别为12位的ADC输入和DAC输出引脚。ADISl6300功能模块框图如图2所示，温度传感器、MEMS角速度传感器和三轴MEMS加速度传感器分别感知环境温度、器件所受角速度和三维加速度，将信号调理并转换，经校电源招聘专家准和数字信号处理后将数据存入输出寄存器供外部SPI主控器件读取。ADISl6300是一个智能的传感器，传感器上电后便自动以819．2次／秒采样速率进行惯性测量。每个采样周期结束后，传感器测量结果存放至输出寄存器，并且DI01引脚向器件外产生一个脉冲，表示一个完整的新惯性测量数据已经采集准备好，可供外部SPI主控器件读取。3ADISl6300基本操作3．1ADISl6300的SPI连接ADISl6300是一个全数字接口的智能传感器系统，其SPI接口与各种微处理器SPI主控制器件接线如图3所示。微处理器作为SPI主器件各引脚功能分别为：为从器件选择；IRQ为中断请求；MOSI为主器件输出，从器件输入；MISO为器件输入，从器件输出；SCLK为连续时钟。AD-ISl6300对SPI时钟需满足：正常模式下SCLK不高于2MHz：数据进发模式下SCLK不高于1MHz；在低电压模式下SCLK不高于300kHz。3．2传感器数据读取通过ADISl6300的SPI接口可读取其传感器的供电电压，陀螺仪值，X，Y，Z轴加速度值，温度值，纵摇角，横摇角等数据。根据ADISl6300读取数据时序，读取每个寄存器的内容分为两步，即2个16位的时序：第1个16位时序向ADISl6300写入读取命令和寄存器地址；第2个16位时序将对应寄存器内容发送至DOUT数据线上。例如：如果第1个16位时序DIN=0x0A00，那么第2个时序时，XACCL_OUT(X轴加速度值)将被发送到DOUT数据线上。电源招聘专家数据进发模式是连续读取ADISl6300数据的最好方式。在10个连续的时序周期内，9个常用寄存器数据可方便读到，它们分别是：SUPPLY_0UT(供电电压)、GYRO_OUT(陀螺仪)、XACCL_OUT(X轴加速度)、YACCL_0UT(Y轴加速度)、ZACCL_0UT(Z轴加速度)、TEMP_0UT(温度)、PITCH_0UT(俯仰角)、0LL_OUT(横滚角)和AUX_ADC(ADC转换结果)。数据进发模式操作为：在连续10个时序周期内，DIN引脚对应的10个输入数据以0011111O00000000(Ox3E00)开始，之后9个数据可任选，同时在DOUT引脚上依次输出如上所述9个输出寄存器内的数据。3．3数据处理表1说明了ADISl6300数据输出的格式和比例因子。从表1中可知，SUPPLY_0UT和AUX_ADC数据格式都为12位的二进制数据，各惯性传感器输出的数据格式均为14位2的补码，温度传感器输出数据格式和AUX_ADC数据格式都是12位2的补码，而横摇角和纵摇角数据格式为13位的2的补码。也就是说0x0000是0LSB．0x0001是+1LSB，2n-1(n=12，13，14)为-1LSB，LSB为满量程输入范围的最小单位。若为GYRO_0UT时，1LSB=O．05(°)／s。下式可用来将输出数据转换成浮点形式的姿态数据。式中，DATA_OUTI为表1中输出数据，OUTi为转换后浮点形式的姿态数据，Scale为表1中最小单位，n为表1中数据位数。例如：GYR0_0UT=0x384A，由于，则角速率Rate=(0x4000-Ox384A)×(-0．05)(°)／s=1206x(-0．05)(°)／s=-60．3(°)／s。因此，根据传感器方向坐标定义，当GYRO0UT为0x384A时，表示传感器z轴以60．3(°)／s的角速率逆时钟旋转。4姿态测量系统设计ADISl6300是四自由度(4DoF)惯性检测系统，能提供三轴加速度以及Z轴旋转角速率，此外还输出了横摇角、纵摇角和温度数据，能应用于医疗仪器、机器人、惯性测量单元、导航控制领域等。介绍基于C8051F330和ADISl6300的姿态测量系统，该系统采用C805lF330单片机的SPI接口读取ADISl6300的数据。再将采集到的数据通过串行RS-232接口输出。4．1硬件设计姿态测量系统的硬件连接如图4所示，器件ADISl6300无需其他外围电路，本设计仅采用电源招聘专家0．1μF和10μF电容并联入器件供电电路进行电源退耦。C8051F330是美国Slincon公司生产的一款高性能的8051内核单片机，它具有增强波特率配置的全双工UART和增强型SPI端口，采用4mm×4mmx0．9mm封装。C8051F330的IO口允许0～5V电平，且ADISl6300的SPI接口输入高电平只需2．0V，因此C8051F330和ADISl6300虽是不同工作电源器件，但它们的接口电平兼容，可采取直接连接的方式直接连接。RS-232电平转换采用MAX3232，它是一款3～5．5V单通道RS-232线路驱动器／接收器。电源电路可提供+5V和+3．3V电压，分别为ADISl6300和C8051F330提供电源。4．2软件设计姿态测量系统单片机的SPI接口采用数据进发模式读取ADISl6300数据，根据ADISl6300数据进发模式定义，在10个连续时序周期下，9个输出寄存器内的数据依次输出到DOUT引脚上。程序流程如图5所示，程序启动进入系统初始化．包括IO口、SPI和串口等。对ADISl6300的操作程序首先向其写入0x3E00，并读取返回的数据，此次数据为SPI之前的数据，之后向ADISl6300连续写9次0x0000，便可连续读到9个输出寄存器内数据。完成9个数据读取后，按上述数据处理中介绍的数据处理方法解算9个数据，最后通过串口输出。电源招聘专家5试验及数据分析为了能对由C8051F330和ADISl6300传感器组成的姿态测量系统进行简单的测定，该试验采用姿态与航向参考系统(attitudeandheadingreferencesystem)AHRS500GA-226作为参考传感器。该传感器可测量被安装物体的欧拉方位角(航向、纵摇角与横摇角)，其内置三轴磁场计、3个陀螺仪和3个加速度计，能高精度、高灵敏地测出360°范围的方位角，±180°横滚角，±90°俯仰角。试验中将两系统固定安装在同一平台上，使平台运动并用计算机同时保存两系统输出的姿态数据。两系统输出的航向角速率、X轴加速度、Y轴加速度、Z轴加速度四组姿态数据利用Matlab软件图形显示如图6所示。电源招聘专家从图中可以看出，利用ADISl6300所测量的航向角速率、X轴加速度、Y轴加速度和Z轴加速度4个空间姿态数据与AHRS所测量的姿态数据基本一致，其中ADISl6300输出的航向角速率、X轴加速度、Y轴加速度和Z轴加速度平均误差分别为0．469(°)／s、O．009m／s2、O．010m／s2、O．003m／s2。ADISl6300数据的噪声较大，这是由于它的数据输出未经滤波处理和融合算法处理，而AHRS经过复杂的融合算法和滤波处理。因此，要使用ADISl6300获取更准确、更平滑的姿态数据还需将其数据进行融合或滤波处理，如卡尔曼算法。6结论四自由度IMU惯性测量传感器ADISl6300可准确测量空间姿态，采用C805lF330与ADISl6300组成的姿态测量系统能够实现准确测量空间姿态。ADISl6300输出的航向角速率、X轴加速度、Y轴加速度和Z轴加速度4个空间姿态的平均误差分别为0．469(°)／s、0．009m／s2、0．010m／s2、0．003m／s2。然而姿态数据的噪声需滤波和融合算法来消除，以获得更为平滑、精确的空间姿态数据。