微型慣性測(cè)量裝置MIMU(Micro Inertial Measure-ment Unit)以其尺寸小,、成本低等特點(diǎn)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(chǎng),。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)高度集成,、低功耗及低成本的微型慣性測(cè)量裝置，可精確地測(cè)算出載體的航向角,、俯仰角及位置等信息,，為運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)打下了基礎(chǔ)，也可廣泛地應(yīng)用于民用航空,、車(chē)輛控制,、機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化,、探礦,、玩具等領(lǐng)域。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　1．1 慣性測(cè)量器件選擇

　　根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的特征和實(shí)驗(yàn)本身的特點(diǎn),，微慣性測(cè)量裝置應(yīng)該滿(mǎn)足下列設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)這些需求,，微慣性測(cè)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(jì)組成，可精確測(cè)量載體的3個(gè)軸向角速度信息和3個(gè)軸向加速度信息,。

　　加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航與慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的一類(lèi)重要敏感元件,，用來(lái)測(cè)量運(yùn)載體相對(duì)慣性空間運(yùn)動(dòng)的加速度，經(jīng)過(guò)積分和相關(guān)的運(yùn)算就能得到載體空間的位置,。加速度計(jì)是一個(gè)直接測(cè)量元件,，它能連續(xù)測(cè)量運(yùn)載體的加速度，然后經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)解算出運(yùn)載體速度,、經(jīng)緯度及航程等,。本系統(tǒng)采用的KXR94加速度計(jì)芯片是Kionix公司生產(chǎn)的三軸加速度計(jì)。該加速度計(jì)內(nèi)部已經(jīng)對(duì)溫度和電壓波動(dòng)引起的偏差進(jìn)行了設(shè)計(jì)補(bǔ)償,，因此由于電壓和溫度引起的偏差較小,。該器件測(cè)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(lái)測(cè)量載體的運(yùn)動(dòng)角速度,。本設(shè)計(jì)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?xún)?nèi)需要200 ms。該器件采用3．0～3．3 V供電,；測(cè)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(guò)外部電阻和電容可分別設(shè)定測(cè)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(duì)內(nèi)部溫度和電壓引起的波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償,，在設(shè)計(jì)中要充分考慮?？蓮膬蓚€(gè)方面來(lái)彌補(bǔ)其不足：①在電路板布局設(shè)計(jì)時(shí),，陀螺和加速度計(jì)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(dòng)大的芯片,；②在軟件算法設(shè)計(jì)時(shí),，運(yùn)用陀螺的溫度漂移系數(shù)對(duì)其進(jìn)行修正。

　　1．2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　DSP采用TI公司發(fā)布的C2000系列32位定點(diǎn)信號(hào)處理器TMS320F2812,。其整合了高性能的DSP內(nèi)核、128 KB的片上Flash存儲(chǔ)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(cè)得的模擬量經(jīng)集成在DSP片上的A／D轉(zhuǎn)換器采集寫(xiě)入片上Flash。所有信息在通過(guò)DSP的捷聯(lián)慣導(dǎo)處理后得到被測(cè)目標(biāo)的位置信息,。最終結(jié)果通過(guò)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(gè)IDG－300型陀螺儀,，其中一個(gè)軸向的角度測(cè)量可以作為冗余設(shè)計(jì),。又因算法要求對(duì)加速度計(jì)和陀螺模擬信號(hào)的采集嚴(yán)格控制在同一時(shí)刻，故選用了2片AD684采樣保持放大器,。AD684的每個(gè)采樣通道可以在1μs內(nèi)完成采樣,，而信號(hào)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(hào)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(hào)連接到DSP的1個(gè)I／O引腳上，這樣可將所有采集信號(hào)采樣保持,，為DSP采集做好準(zhǔn)備,。圖3是慣性測(cè)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(hào)特性為T(mén)TL電平,。在實(shí)際使用時(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)的RS232信號(hào)進(jìn)行通信,。這是因?yàn)镽S232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(hào)也可以被可靠地識(shí)別,；而一般情況下傳輸線路越長(zhǎng),，衰減就越嚴(yán)重,。因此,，在同等情況下RS232更能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸,。為了使裝置實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸,，同時(shí)考慮到RS232接口的通用性，本系統(tǒng)選擇MAX3232用于與上位計(jì)算機(jī)通信,。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　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(cè)得的運(yùn)載體航向角和速度，從一已知點(diǎn)的位置推算出其下一點(diǎn)的位置,，因而可連續(xù)測(cè)出運(yùn)動(dòng)體的當(dāng)前位置,。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的陀螺儀用來(lái)形成一個(gè)導(dǎo)航坐標(biāo)系,，使加速度計(jì)的測(cè)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(jì)用來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)體的加速度,，經(jīng)過(guò)對(duì)時(shí)間的一次積分得到速度，再經(jīng)過(guò)對(duì)時(shí)間的一次積分即得到距離,。故該裝置在測(cè)量載體角速度與加速度信息的基礎(chǔ)上,，能夠確定運(yùn)載體的位置和地球重力場(chǎng)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)載體的多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息的測(cè)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(gè)功能模塊,，之后對(duì)AD684等外設(shè)進(jìn)行配置；當(dāng)AD684完成加速度計(jì)和陀螺儀的信號(hào)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　在實(shí)驗(yàn)室條件下，將微型慣性測(cè)量裝置捆綁到人的腿部,，分別進(jìn)行了被測(cè)人員下樓梯和繞環(huán)形樓道行走的跟蹤實(shí)驗(yàn),。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該裝置能正確跟蹤被測(cè)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(cè)人員的移動(dòng)軌跡,。

　　4 結(jié) 論

　　本系統(tǒng)由TMS320F2812信號(hào)處理器、IDG－300型陀螺儀和KXR94加速度計(jì)組成了一個(gè)微型慣性測(cè)量裝置,。該裝置可準(zhǔn)確跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo),，具有體積小,、質(zhì)量輕,、功耗低,、成本低等優(yōu)點(diǎn)。鑒于該裝置的特點(diǎn),，還可應(yīng)用于帶有運(yùn)動(dòng)檢測(cè)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(pán)保護(hù)系統(tǒng)的筆記本電腦和媒體播放器,；可移動(dòng)游戲機(jī),，通過(guò)改善當(dāng)前游戲界面和開(kāi)發(fā)新的基于運(yùn)動(dòng)的游戲,，提供更多互動(dòng),、直觀和趣味性強(qiáng)的游戲體驗(yàn),；數(shù)碼相機(jī)，通過(guò)檢測(cè)位置,、運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)而自動(dòng)幫助用戶(hù)更好地拍照等。