基于高精度數(shù)字角速率陀螺儀實(shí)現(xiàn)角速度和轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

來(lái)源：電子設(shè)計(jì)工程，作者：吳曉鵬；趙祚喜；黃??；馮賢超

微機(jī)電傳感器（MEMS）慣性傳感器在近幾年來(lái)高速發(fā)展并得到了廣泛的應(yīng)用。微慣性傳感器作為一種重要的MEMS，由微型陀螺儀、微型加速度計(jì)、專(zhuān)用集成電路（ASIC）、嵌入式微處理器及相應(yīng)的軟件組成，輸出可以包含角速度、加速度、姿態(tài)等多種信息，并且其體積小、集成度高、使用方便，在軍民等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。

CRS10是Silicon SENSING公司的一款高精度的MEMS單軸陀螺儀，它是數(shù)字式輸出，輸出傳感器運(yùn)動(dòng)過(guò)程的角速度和傳感器工作的環(huán)境溫度。

在轉(zhuǎn)角測(cè)量方面，傳統(tǒng)的方法是使用角度傳感器，測(cè)量起始時(shí)間的角度值，然后相比較得到轉(zhuǎn)過(guò)的角度。在此，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，應(yīng)用CRSl0陀螺儀，設(shè)計(jì)了一個(gè)角速度和轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)配置有數(shù)據(jù)輸出接口和液晶顯示界面。

1 CRS10功能介紹及使用

CRSl0是一款高精度的數(shù)字角速率陀螺儀，集成度高，較寬的工作溫度（-40～80℃），高帶寬和寬泛的頻率范圍，極低的角速率隨機(jī)漂移，標(biāo)準(zhǔn)5 V電壓供電，SPI數(shù)據(jù)輸出和模擬端口輸出2種輸出方式滿(mǎn)足各種應(yīng)用不同需求。在CRSl0的默認(rèn)配置是為75 Hz帶寬，±375（°）／s角速率測(cè)量訪(fǎng)問(wèn)。用戶(hù)可根據(jù)需要，設(shè)置其角速率測(cè)量范圍和帶寬。例如可設(shè)置±75（°）／s的測(cè)量范圍，也可設(shè)置帶寬5、10、25、40、50、60和100 Hz。

CRSl0采用23 mmxl7 mmxl0 mm封裝。無(wú)論是垂直或可用水平支架可表面安裝在PCB上。其體積小，集成度高，易于安裝?？蓮V泛應(yīng)用于汽車(chē)偏航率測(cè)定、制導(dǎo)和控制、平臺(tái)穩(wěn)定、圖像穩(wěn)定、慣性測(cè)量裝置、機(jī)器人和導(dǎo)航等領(lǐng)域。

1．1 CRSl0功能介紹

圖1（a）和圖l（b）分別是CRSl0的實(shí)物圖和功能框圖。由圖l（b）可知，在CRSl0中，MEMS陀螺儀先感知外界信號(hào)，并將信號(hào)輸出給數(shù)據(jù)采集專(zhuān)用集成電路，數(shù)據(jù)采集電路將處理后的信號(hào)輸出給微控制器。微控制器將得到的數(shù)據(jù)結(jié)果存入輸出寄存器。通過(guò)SPI總線(xiàn)，外部SPI主控器件向CRSl0發(fā)送控制指令或者讀取。CRSl0內(nèi)部設(shè)置有控制寄存器，寄存器都有默認(rèn)的值，通過(guò)對(duì)控制寄存器的修改寫(xiě)操作，可以改變角速率測(cè)量范圍頻率和輸出帶寬等方面的控制效果。

CRSl0測(cè)量的是平行于PCB平面的角速率。CLK_N，SPI_IN，SPI_OUT和引腳是傳感器的SPI接口，引腳是傳感器的復(fù)位引腳。A-NL_OUT是角速率的模擬輸出端口。

CRSl0的數(shù)字輸出部分還包含其工作環(huán)境的溫度值。假如在無(wú)償條件下，陀螺儀性能不佳，那么可通過(guò)使用這個(gè)溫度進(jìn)行建模和補(bǔ)償。

1．2 CRS10使用方法

1．2．1 CRS1O硬件建接

CRSl0的SPI接口與各種微處理器SPI主控制器件接線(xiàn)如圖2所示。SPI總線(xiàn)的時(shí)鐘頻率最高可達(dá)到2．5 MHz，建議采用1 MHz。

1．2．2 CRSl0數(shù)據(jù)讀寫(xiě)與數(shù)據(jù)處理

通過(guò)SPI總線(xiàn)，可以對(duì)CRSl0進(jìn)行讀寫(xiě)操作。可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)置控制寄存器的值達(dá)到控制效果，也可以使用寄存器的默認(rèn)設(shè)置?？刂浦噶钣?個(gè)字節(jié)狀態(tài)位，4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)位和1個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)位共6個(gè)字節(jié)組成。向CRSl0寫(xiě)控制指令時(shí)，只要將指令串通過(guò)SPI總線(xiàn)發(fā)送給CRSl0即可。

讀取CRSl0輸出的數(shù)據(jù)時(shí)，從總線(xiàn)上讀取到的是6個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，依次是：1個(gè)字節(jié)的狀態(tài)位，2個(gè)字節(jié)的角速率數(shù)據(jù)位，2個(gè)字節(jié)的溫度數(shù)據(jù)位和1個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)位。

角速率值（RATE_OUT）和溫度值（TEMP_OUT）輸出的數(shù)據(jù)格式均為16位二進(jìn)制的補(bǔ)碼，可以使用式（1）進(jìn)行解算：

式中，DATA_VALUE為寄存器的輸出數(shù)據(jù)，VALUE為轉(zhuǎn)換后實(shí)際的測(cè)量量的值，Scale為寄存器值最小值代表的最小單位，n為對(duì)應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)位數(shù)。

在這里有一個(gè)小技巧，由于數(shù)據(jù)是16位二進(jìn)制補(bǔ)碼類(lèi)型，可以使用數(shù)據(jù)類(lèi)型為整型（int）存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，這樣亦可以省略其中的數(shù)據(jù)處理過(guò)程。

2 角速率和轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

這里給出了基于LMS8962與CRSl0的傾角測(cè)量系統(tǒng)的原理與設(shè)計(jì)。

2．1 轉(zhuǎn)角測(cè)量原理

CRSl0是測(cè)量其所在PCB平面的角速率。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，角度等于角速率在時(shí)間上的積分，因此，可以得到轉(zhuǎn)角與角速率的關(guān)系：

式中，θ是當(dāng)前角度，θo是運(yùn)動(dòng)初始時(shí)的初始轉(zhuǎn)角，ω為角速率，to為初始時(shí)刻，t為當(dāng)前時(shí)刻。

在數(shù)字系統(tǒng)中，采用其離散型方程：

式中，θ、θo、ω的含義與式（2）相同，△t表示采樣數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔。

根據(jù)上述原理，利用CRSl0設(shè)計(jì)測(cè)量轉(zhuǎn)角系統(tǒng)。只要保證采樣頻率夠快，轉(zhuǎn)角平臺(tái)穩(wěn)定，噪聲較小即可。［page］

2．2 硬件電路設(shè)計(jì)

使用LMS8962與CRSl0搭建成傾角測(cè)量系統(tǒng)，LMS8962是一款高性能的32位Cortex-M3內(nèi)核微處理器。它有豐富的片內(nèi)外設(shè)，如模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC），PWM，CAN和串行總線(xiàn)（SSI）等，功能強(qiáng)大，易于集成。

LMS8962與CRSl0組成的角速率和轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。LMS8962通過(guò)SSI總線(xiàn)與CRSIO進(jìn)行通信。將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡中，將解算得到的結(jié)果實(shí)時(shí)在液晶顯示模塊上顯示。SD卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為將來(lái)的數(shù)據(jù)分析提供一個(gè)很好的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)。SSI是串行通信總線(xiàn)，它兼容SPI總線(xiàn)。

2．3 軟件設(shè)計(jì)

圖4是系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程。程序啟動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)初始化，接下來(lái)向CRSl0寫(xiě)控制指令，以設(shè)置CRSl0工作在需求的模式下，然后讀取返回的數(shù)據(jù)并進(jìn)行解算，最后通過(guò)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到SD卡中并在液晶模塊中顯示。

3 試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)量角速率和轉(zhuǎn)角的效果，采用姿態(tài)與航向參考系統(tǒng)（attitude and heading reference system）AHRS500GA-226傳感器作為參考進(jìn)行測(cè)試。AHRS500GA-226是Crossbow Technology公司的一款高精度的IMU。將兩系統(tǒng)固定安裝在同一平臺(tái)上，使CRSl0測(cè)量的角速率平面與AHRS的YAW平面（航向角速率和航向角測(cè)量平面）相一致。比較兩個(gè)系統(tǒng)輸出的角速率和角度數(shù)據(jù)，得到如圖5所示的結(jié)果。

由圖中5可看出，CRSl0所測(cè)量的角速率與AHRS測(cè)量得到的角速率運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)一致，AHRS的結(jié)果比較平滑。CRSl0有噪聲，局部陡峭。在靜止和小角速率運(yùn)動(dòng)時(shí)兩者測(cè)量結(jié)果基本重合，誤差在0．1（°）／s左右。在大角度運(yùn)動(dòng)和急速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩者的重合效果不佳，誤差較大，有達(dá)到7（°）／s。這是由于A(yíng)HRS得到的數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)濾波和數(shù)據(jù)融合處理的。角度測(cè)量的趨勢(shì)一致，在局部重合的比較好。但角度測(cè)量的誤差比較大。原因在于本文使用的角度計(jì)算方法：1）使用的是原始的角速率數(shù)據(jù)，角速率沒(méi)有經(jīng)過(guò)濾波處理，噪聲較大，積分疊加到角度上得到的偏差亦較大；2）使用的是簡(jiǎn)單的積分求角度，沒(méi)有補(bǔ)償，沒(méi)有平滑。綜上可知，角速率測(cè)量效果比較好，角度測(cè)量可行，但算法有待提高。

4 結(jié)論

基于LMS8962 ARM微處理器與CRSl0陀螺儀的角速率與轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)角速率測(cè)量誤差平均為0．550（°）／s，最大達(dá)到7（°）／s，在小角速率測(cè)量時(shí)效果比較好。轉(zhuǎn)角測(cè)量誤差平均誤差為2．5°，測(cè)量精度有待進(jìn)一步提高。造成角度測(cè)量誤差的原因主要是沒(méi)有對(duì)得到的角速率進(jìn)行濾波和數(shù)據(jù)的融合。濾波算法和融合算法的使用和完善是該系統(tǒng)今后要完善的主要工作。從測(cè)量的結(jié)果來(lái)看，只要做好濾波和融合的處理，提高系統(tǒng)的精確性是可行的。

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