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基于单片机与微惯性器件的高度轨迹描绘设计

陈军

河海大海计算机及信息工程学院，南京(210098)

摘要：本文开发一种民用标准的高度测量系统，以增强型51单片机MSC1210为核心处理单元，采用三个ADXL202加速度传感器和三个ADXRS300角速度传感器（又称陀螺）为测量器件，六个传感器按正交方式安装在信号采集板上，其中Z轴方向陀螺的内部温度传感器起补偿作用，共计测得七路模拟电压，经MSC1210自带24位AD转换，由串口送入上位机VC中，VC通过Engine口与Matlab联调，将原始数据导入Matlab，在Matlab中运行捷联惯导四元数高度算法并实时显示出高度波形。上述过程中，下位机实现AD转换，数据存储处理，Msc1210串口通讯。上位机中实现VC端串口通讯，VC与Matlab数据收发，Matlab中编辑四元数高度算法，波形实时显示。本系统成本低廉，性能稳定，可靠性高，实验结果证明本系统测量精度绝对误差小于0.1米，相对误差小于6%，完全胜任民用标准。关键词：微惯性传感器；Msc1210；串口通信；四元数算法

中文图书分类号：TP391

引言

物体运动轨迹描绘技术在各个领域均有十分重要作用，特别是在物体运动姿态控制、航天、航海以及国防军事及民用领域占有重要地位。物体空间运动轨迹是指物体从某个位置到结束位置所经过的路线，分前、后、左、右、上、下六个基本方向。其中前后左右四个方向构成大家熟悉的XOY平面，上下两个方向即日常所说的高度。轨迹描绘便是记录物体在路线上每一点的坐标，并以图点的方法在计算机屏幕上标示出来。精确的轨迹描绘涉及的理论和算法十分复杂，已成为电子技术研究中的热点。

运动轨迹主要由XYZ轴三个轴向位移动决定，掌握了三个轴向的位移便可描绘出轨迹。由于载体远离地面，高度是轨迹描绘中最困难和最难以精确定位的环节，其精度直接决定了轨迹描绘成败，本文主要研究高度的测量。传统测高采用无线电定位技术、天文定位技术，这两种技术受环境影响较大，实测结果也存在较大误差，难以满足工程技术需要。本文给出了基于捷联惯导技术和四元数算法的测高方案，捷联惯导技术是惯性导航与惯性制导技术、惯性仪表技术、惯性测量技术以及有关设备和装置技术的总称，至少由一个惯性测量装置、一个数字计算机和一个控制显示装置及一只精密电源组成。该技术[1]利用惯性敏感器、基准方向及最初的位置信息来确定载体的方位，位置的自主式航位推算系统，核心器件是微惯性传感器，包括加速度传感器，角速度传感器，两者是微型精密机械、微电子、半导体集成电路工艺等新技术的集成[2]。

捷联惯导技术越来越多用在轨迹描绘和运动姿态控制中，小至座椅高低调整，大至飞行器对地起降都有应用。本系统硬件设计方案和软件算法具有一定理论意义和实用价值。

系统硬件设计与实现

硬件系统以功能划分,分作传感器模块、衰减滤波模块（即调理模块）、处理器模块、串口传输模块、内存扩展模块、电源模块、上位机模块，如图1所示：

图1系统硬件平台设计方案

核心处理器Msc1210具有全双工串行口，自带8路24位高分辨率ADC通道，采样速率可调，ADC由输入多路器、可编程增益放大器PGA、调节器、数字滤波器、参考稳压源组成，PGA值可以设作1、2、4、8、16、32、64、128，能大幅提高转换分辨率，满刻度为5V，PGA＝1时，ADC可以分辨1uV大小模拟电压；满度为40mV，PGA＝128时，可分辨75nV大小模拟电压，达到普通26位ADC的精度[3]，通过寄存器ADCON0低三位设置益增。

ADXL202和ADXRS300是ADI公司生产的加速度角速度传感器，ADXL202测量范围±2g、工作电源3-6V、静态电流0.7mA、传感器与调理电路封装在一起[4]。ADXRS300重仅0.5克、外围尺寸为7mm×7mm×3mm、功耗30mw、灵敏度5mV/rad/s、非线性误差为±0.1%、稳定度为±0.03rad/s、量程宽达±300°/s[5]、传感器周边元件连接安装如图2、图3所示：

C222uF*C1VCC1EVPDD6E2EV

C2

22uF

*

C1VCC

1E

V

PDD

6E

2E

V

PDD

7E

22uFC3

1D

CMID

6D

ADXRS300

CP5

2D

C7

CMID

CP57D 22uF

1C

22uF

SUMJ

CP3

6C

2C

SUMJ

CP3

7C

C12 C8

0.47uF

C422uF

100nF

VCCC9

C6

ADXRS300

2G

1F

4G

4F

ST2

5G

5F

3G

ST1

3F

TEMP

7F

6G

2ARATEOU