ADISl6355傳感器在四軸飛行器姿態(tài)檢測中的應用

引言

四軸飛行器是瑞士科技人員研制成的一種新型飛行器，也是一種娛樂機器人。它利用旋翼來進行空中飛行，用于娛樂，它能彈鋼琴曲。四軸飛行器其構造特點是在它的四個角上各裝有一旋翼，由電機分別帶動，葉片可以正轉，也可以反轉。為了保持飛行器的穩(wěn)定飛行，在四軸飛行器上裝有3個方向的陀螺儀和3 軸加速度傳感器組成慣性導航模塊，它還通過電子調(diào)控器來保證其快速飛行。

1.慣性測量傳感器

傳感器是一種能把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的器件。國際電工委員會（IEC:International Electrotechnical Committee）的定義為：“傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號”。按照Gopel等的說法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理（模擬或數(shù)字）能力的系統(tǒng)”。傳感器是傳感系統(tǒng)的一個組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關口。傳感器把某種形式的能量轉換成另一種形式的能量。有兩類：有源的和無源的。有源傳感器能將一種能量形式直接轉變成另一種，不需要外接的能源或激勵源。

慣性測量傳感器是ADI公司推出的一款具有-40～85℃溫度范圍內(nèi)校準、SPI接口輸出的六自由度慣性測量傳感器，出廠前已經(jīng)對產(chǎn)品的零偏和靈敏度進行了全溫校準。ADISl6355的輸出零偏穩(wěn)定性為0.015°／s，溫度系數(shù)為0.008（°／s）／℃，角度隨機游走為4.2°／s，適于精度要求較高的應用。ADISl6355的結構框圖如圖1所示。傳感器內(nèi)部完成了信號的采集、校準與濾波處理，具有自檢功能，還有1路ADC輸入、1路DAC輸出和2路數(shù)字I／O。SPI接口能夠輸出3個角速率信號、3個線加速度計信號、3個溫度傳感器信號和電源電壓信號。

2 應用電路設計

公司的32位STM32系列微控制器是專門為微控制系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡等對功耗和成本敏感的嵌入式應用領域而設計的。ST-M32F103VB是一款基于ARMv7-M體系結構的32位標準處理器，工作頻率高達72 MHz，具有3個通用定時器、1個高級控制定時器、7個獨立的DMA通道、1個USB接口、3個USART接口、2個SPI接口和2個I2C接口。

2.1 ADlSl6355接口電路

與STM32F103VB通過標準SPI接口進行連接，其硬件接口電路如圖2所示。ADIS16355的SCLK、DOUT、DIN、CS、RST腳分別與ST-M32F103VB的SPll～SCK、SPll_MISO、SPll_MOSI、SPll_NSS、PB0腳連接。

的SPI接口配置為全雙工主模式，每幀傳輸16位數(shù)據(jù)，每幀先發(fā)送MSB。時鐘極性配置為空閑狀態(tài)時，SCK保持高電平；時鐘相位配置為數(shù)據(jù)采樣從第二個時鐘邊沿開始。通信的波特率配置為64分頻，為1.125 MHz。為提高SPI的速度，降低CPU資源的使用率，采用了SPI的DMA模式，SPI接收到的數(shù)據(jù)直接存儲在定義好的數(shù)組里。STM32F103VB的SPI接口配置程序如下：

2.2 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊及其接口

無線數(shù)據(jù)傳輸是指利用無線傳輸模塊將工業(yè)現(xiàn)場設備輸出的各種物理量進行遠程傳輸，如果傳輸?shù)氖情_關量，也可以做到遠程設備遙測遙控。無線數(shù)傳設備DTD433可以提供高穩(wěn)定、高可靠、低成本的數(shù)據(jù)傳輸。它提供了透明的RS232/RS485接口，具有安裝維護方便、繞射能力強、組網(wǎng)結構靈活、大范圍覆蓋等特點，適合于點多而分散、地理環(huán)境復雜等應用場合。該設備提供點對點通信，也可以實現(xiàn)點對多點通信，不需要編寫程序，不需要布線。一般電工調(diào)試也可以通過。無線數(shù)據(jù)傳輸設備廣泛應用于無線數(shù)傳領域，典型應用包括遙控、遙感、遙測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集、檢測、報警、過程控制等環(huán)節(jié)。

無線數(shù)據(jù)傳輸模塊使用的是nRF2401芯片，它工作于2.4GHz ISM頻段，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。該模塊功耗非常低，以-5 dBm的功率發(fā)射時工作電流只有10.5 mA，接收時工作電流只有18 mA。實際使用時其無線傳輸距離可達30 m，最大傳輸速率可達1000 kbps。單片機和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的連接使用普通的I／O口，其電路設計如圖3所示。

2.3 電源模塊

電源模塊主要為STM32F103VB、ADISl6355和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊供電，其電路設計如圖4所示。鋰電池提供的11.1 V電源經(jīng)ASMlll7-5.O轉換為5 V，再經(jīng)過ASMlll7-3.3轉換為3.3 V。其中，5 V為ADISl6355提供電源，3.3 V為STM32F103VB和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊提供電源。Dl是用于電源指示的LED，Rl為O.5 A可恢復保險。

3 四軸飛行器姿態(tài)估計

四軸飛行器的姿態(tài)主要指它在地面坐標系中的3個姿態(tài)角，即俯仰角、橫滾角和偏航角。其中，俯仰角和橫滾角可以通過對陀螺的角速度積分得到，也可通過3個軸向的加速度推算出來，但偏航角只能對角速度積分得到。由于在四軸飛行器測試平臺上檢測姿態(tài)，對偏航角先不做要求。四軸飛行器的姿態(tài)控制系統(tǒng)模型中3個軸向的加速度可表示為：

其中，u、v、w為機體坐標系下3個軸向的線速度，p、q、r為機體坐標系下繞3個軸的角速度，θ、φ為四軸飛行器的俯仰角和橫滾角，U1為總的升力，m為飛行器的質量。在試驗平臺上檢測時，四軸飛行器的位置固定不變，上式可簡寫成：

其中，為加速度計測得的加速度，通過式（2）可推算得到俯仰角和橫滾角如下：

配置陀螺的測量范圍為±300°／s，1 min內(nèi)測得的ADISl6355三個軸的角速度、加速度和溫度曲線如圖5所示。在約19 s時使飛行器繞x軸進行滾轉運動，在約45 s時使飛行器恢復到剛開始的靜止狀態(tài)。由圖5可知，靜止時角速度的輸出范圍為±2°／s，x、y軸加速度計的輸出范圍為±O.015 g，溫度由26℃到30℃逐步上升。

對角速度進行積分得到飛行器的三個姿態(tài)角，如圖6所示。通過式（3）由加速度信息推算的兩個角度如圖7所示。對比圖6和圖7可知，由角速度積分得到的角度最終不是靜止時的0°。原因是陀螺存在漂移，隨著時間的積累，測量的誤差會在積分中一直累加，而由加速度信息推算出來的角度就不存在漂移。圖7中約第24 s時，y軸角度出現(xiàn)一個峰值（高達70°），而實際的旋轉角度只在±30°之間，其原因是振動引起加速度值突增，導致推算出的角度過大。

結語

實際使用中，加速度計對振動非常敏感，應根據(jù)應用的場合對加速度數(shù)據(jù)進行處理。四軸飛行器具有4個無刷電機，實際飛行時電機引起的振動非常大，如果簡單地通過加速度來推算角度就會出現(xiàn)很多圖7中第24 s的尖點，與實際情況不符合。

本文使用STM32F103VB單片機對慣性測量傳感器ADISl6355進行數(shù)據(jù)采集，并通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送回計算機。利用ADISl6355對四軸飛行器姿態(tài)進行檢測，可分別利用角速度信息和加速度信息對飛行器姿態(tài)進行估計，兩種方法各有優(yōu)缺點，在實際使用時要綜合進行考慮。