浅析一种姿态系统的实现方法

苏瑞 邓宇 孙瑜

摘 要 本文给出了一种小型姿态系统的实现方法，介绍了该系统的硬件框图及数据解算。该系统基于MEMS器件搭建，采用模块设计，可实现小机动情况下的高精度姿态测量。最后给出机载试验的验证结果。

关键词 姿态系统;传感器

引言

在小型飞行器中，由于其本身的体积和重量都很小，要求飞行器導航系统上应用的运动测量设备既要保证一定的精度，又能尽量减小导航设备的体积和重量。传统的机械转子陀螺结构复杂，易磨损、寿命短，激光陀螺和光纤陀螺性能稳定、可靠性高，但其高昂的价格限制其在某些场合的应用。相比之下，基于微电子机械系统（MEMS）器件而搭建的惯性系统具有体积小、功耗低、质量轻、响应快、灵敏度高、成本低等优点，加以滤波和算法修正，可以达到在小型飞行器上的应用要求。

1系统概述

本姿态系统采用基于MEMS三轴陀螺仪和三轴加速度计构建的惯性系统，通过内置高性能处理器，采用捷联惯性姿态算法实现静态和动态角度测量。其中三轴加速度用于跟踪静态角度解算，三轴陀螺用于跟踪动态角度解算。可以测量的姿态参数包括全姿态横滚角、俯仰角、角速度和加速度等8路信号，通过RS232格式信号编码输出，并可通过D/A转换器以模拟信号形式输出各路信号，输出信号与角度/角速度/加速度呈线性关系。系统组成框图如图1。

2工作原理

本姿态系统采用模块化设计，包括电源模块、数字式惯性系统（包含IMU信息处理模块和捷联航姿解算模块）、DA输出模块、壳体和接插件等功能单元。

2.1 电源模块

电源模块用于将机载28V电源转换为信号处理电路和数字式惯性系统所需的15V供电，主要包括极性保护及干扰滤波两部分，电路原理如图2所示。极性保护电路采用二极管极性保护电路D2，选用1N4148型开关二极管。电磁干扰滤波电路选用有关厂家推荐的典型参数。

2.2 数字式惯性系统

数字式惯性系统通过内置高精度6自由度惯性测量单元IMU实现载体的三轴向角速率和加速度测量。其中三轴向陀螺用以敏感载体运动角速度，经信号预处理后，提供载体姿态计算原始信息，最终通过姿态四元数算法计算载体姿态信息。由于陀螺精度较低，漂移较大，长时间工作不能保证测量精度。利用三轴向加速度计测量重力在载体三轴向上的分量，可以计算出载体相对于当地地理水平面的倾角。由于加速度计测量精度较高，其角度解算精度也很高，因此可利用加速度计输出作为观测量，采用卡尔曼滤波器构造一个可变增益的闭环反馈系统，来修正因陀螺漂移造成的姿态误差，从而实现动静态运动条件下载体姿态的高精度测量。工作原理如图3所示。

2.3 D/A输出模块

D/A输出模块包括D/A转换部分和信号放大、滤波部分。其中D/A转换采用专用四通道转换芯片AD5324，该芯片为12位单极性信号输出，输出信号范围为0V～Vref。

为了提高放大电路的精度、方便调零和滤波电路的设计，放大电路采用了两级放大，采用美国AD公司的OP297芯片。该芯片内部集成两个运算放大器，具有低输入偏置电压、高开环增益、低噪声密度等突出特点。第一级为减法电路，由RefF02Bu及电阻网络产生约0.94V基准电压Vref，反向放大2倍后与D/A输出电压值叠加，输出-1.875V～1.875V电压信号。第二级为反向放大、滤波电路，通过电阻网络设定其增益为-2、通带截止频率为10Hz，从而把上级输出放大成稳定的-3.75V～+3.75VDC双极性标准电压信号。原理图如图4所示。

2.4 软件解码算法

数字式惯性系统的输出为RS232信号格式的数据包，需对其解码运算后再送入D/A转换模块。

数据包为37字节的十六进制数，格式如图5所示。依次为通信协议起始字符（数据包头）、横滚角、俯仰角、偏航角、三轴向角速率、三轴向加速度、温度、时间、状态信息和CRC校验码。此处提取横滚角、俯仰角、三轴向角速率和三轴向加速度共8路信号进行标度转换，转换为输出电压信号。

以横滚角为例，解算公式为：

横滚角=接收数据/（65536/量程）=接收数据*量程/65536         （1）

输出电压=横滚角*（电压量程/角度量程）                     （2）

由于采集数据为实数，编码时采用补码，首先要对补码进行范围转换，再根据实际应用的量程对数据范围进行截取限定。按照公式1、公式2进行解算和标度转换后，进行CRC校验，如无误码，则输出转换的电压，出现误码则丢弃该数据包，重新接收。

3试验验证

该姿态系统经两次机载试验，与机载地平仪的输出信号进行比对。

试验中平飞、悬停、机动产品输出正常，动态跟随性好，但在连续大机动、加速-平飞-悬停段，产品输出发散，误差大。因此该系统仅能应用在小机动条件下。数据如图6、图7所示。

4结束语

由试验结果可知，该系统质量轻、响应快、灵敏度高，可满足小机动条件下的小型飞行器的姿态测量。该小型姿态系统目前已装机使用。

参考文献

[1] 张谦，裴海龙，罗沛.基于MEMS器件的姿态航向参考系统设计及应用.2007，28（3）：631-634.

[2] 黄旭，王常虹.基于微机械惯性器件和磁强计的姿态航向系统.2005，24（8）54-56.