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　　摘要：本文介紹了一種基于新型MEMS加速度計和MR（磁阻）傳感器的嵌入式姿態測量系統。通過本系統，可以獲得載體的三個姿態參數：基于地球磁場的方位角，基于地球重力場的俯仰角和橫滾角。

　　1. 介紹：

　　傳統的姿態測量系統采用捷聯式慣導系統（SINS），相比平臺式慣導系統而言，其具有 體積相對更小，成本相對更低，易于安裝和維護并且可靠性更高的有點，因此，捷聯慣導系 統在飛行器導航和姿態測量中得到了廣泛的研究和應用。

　　然而，傳統的姿態測量系統包括捷聯式慣導普遍具有體積大，重量大，復雜程度高等特 點，使得傳統的姿態測量系統無法應用于日常應用。同時，傳統的捷聯慣導系統一般需要一 個尋北系統的輔助來獲得載體的方位角，但是傳統的尋北系統多為基于陀螺的系統，其體積 和復雜度也是日常應用所無法接受的。可見，對于對體積具有嚴格限制的嵌入式系統而言， 需要研制一種小型的姿態測量系統來滿足其姿態測量的要求。MEMS 技術和MR 技術的快 速發展，為研制這種低成本，小體積，高集成度的姿態測量系統提供了可能，從而可以使得 對體積和成本敏感的系統具有姿態測量的能力。

　　本文論述了由MEMS 加速度計和MR 傳感器組成的姿態測量系統。在本系統中，三軸 MEMS 加速度計用來獲得載體基于重力向量的俯仰角和橫滾角，而三軸MR 傳感器的輸出 經過以俯仰角和橫滾角為參數的矩陣變換后可以給出載體相對于地磁北極的方位角。

　　2. 硬件描述：

　　本論文論述的姿態測量系統主要由三軸MEMS 加速度計，三軸MR 傳感器，ARM 內核 微控制器和用于顯示結果的LCD 顯示器組成。

　　2.1 三軸MR 傳感器

　　本系統選用了 Honeywell 的HMC2003 三軸磁阻傳感器。HMC2003 是一個高靈敏度三 軸MR 傳感器，它是由單軸MR 傳感器HMC1001 和雙軸MR 傳感器HMC1002 組合而成。 其精度可以達到400ugauss，量程為±2gauss，靈敏度為1V/gauss。磁阻傳感器在經歷了強磁 場之后會被磁化而引起磁滯，從而引起輸出信號的失真，Honeywell 的“set/reset”功能可以 消除這種磁滯而使傳感器恢復到正常的工作狀態。

　　2.2 三軸MEMS 加速度計： 本系統中的加速度計選用了 Freescale 的MMA7260Q 單片三軸加速度計。MMA7260Q 是一個低成本的電容式微機械加速度計，其內部具有信號調整、單極低通濾波器、溫度補償 等功能，其量程可以通過編程選擇1.5g/2g/4g/6g 之一。其主要特點如下：

　　微處理器：

　　本系統選用的微處理器為 Atmel 公司的At91sam7s64 ARM 微控制器。At91sam7s64 是基于32 位ARM 內核的低管腳數高性能并且內置Flash 的微控制器。其內部集成了64k 字節Flash 和16k 字節的SRAM 以及大量的外設接口，例如兩個USART 接口，可以分別用 來與PC 機通信和控制串口LCD 屏顯示測量結果。其具有一個 10 位的SAR 逐次逼近式A/D 轉換器，并具有8 選1 模擬復用器。A/D 轉換器的采樣率可以達到384ksps。At91sam7s64 的ARM 內核的最高運行頻率可以達到55MHz，0.9Mips/MHz，以上的特點使At91sam7s64 非常適合于低成本體積敏感的姿態測量系統。

　　2.4 硬件結構：

　　本系統的硬件結構如圖2.4 -1 所示。 由于At91sam7s64 具有片上A/D 轉換器而且具有8 選1 模擬復用器，使得MMA7620Q 和HMC2003 可以直接與微控制器相連而不必外加A/D 轉換器和復用器，不僅降低了系統的 成本和體積，提高了系統的集成度，同時減少了誤差源，提高了精度。經過A/D 轉換的測量數據經過ARM 核的處理后，被送到串口LCD 并通過RS232 接口送入PC 機進行進一步 的分析。

　　3. 姿態參數的獲得

　　在本系統中，三軸加速度計和三軸 MR 傳感器都以以下的方式安裝于電路板上：它們 的X 軸平行于系統的橫軸指向右，Y 軸平行于系統的縱軸指向前，X、Y、Z 軸定義為右手 坐標系統，如圖3 -1 所示。

　　3.1 俯仰角與橫滾角的獲得：

　　為了獲得系統基于重力向量的俯仰角θ 和橫滾角φ，需要使用加速度計的三個輸出：Ax, Ay, Az 。俯仰角和橫滾角可以通過以下公式(1)和公式（2）計算得到。對于微控制器，函數 中的arctan(x) 需要通過以下公式（3）的泰勒展開后才能計算得到。

　　3.2 方位角的獲得：

　　為了獲得系統相對于當地地磁向量的方位角，需要使用MR 傳感器的三個輸出Mx, My, Mz 。當系統置于水平狀態時（俯仰角和橫滾角都為0）時，方位角ψ 可以由公式（4）直 接給出，但是在大多數情況下，系統并不是工作在水平狀態，此時地磁場的豎直分量將會影 響Mx 和My 的值，因此不能直接由公式（4）獲得相對于地磁向量的方位角。為了在所有 情況下都能獲得正確的方位角，必須將俯仰角和橫滾角考慮在內，即必須通過以俯仰角和橫 滾角為參數的坐標變換，將測得的（Mx, My, Mz）向量變換為與載體坐標系有相同方位角的 水平坐標系下的向量（M’x , M’y, M’z），其變換矩陣如公式（5）。

　　至此，系統的3 個姿態參數全部由公式（1）（2）（7）給出。

　　4. 誤差分析：

　　本文論述的姿態測量系統主要由 MEMS 加速度計和MR 傳感器組成。由于現有MRMS 技術的限制，其精度和傳統的加速度計還有一定的差距，這將給所得到的俯仰角和橫滾角帶 來更大的誤差。MR 傳感器是對磁場敏感的器件，當其被放置在鐵磁環境中的時候，地球的 磁場將受到附近鐵磁環境的扭曲，這將導致方位角的誤差。然而這種由于附近鐵磁物質的影 響而引入的誤差是可以補償的。

　　5. 結論：

　　使用MEMS加速度計和MR傳感器構成的姿態測量系統有效的降低了整個系統的體積、 成本以及功耗，使得嵌入式系統也可以引入姿態測量的功能。本文論述的姿態測量系統非常 適用于汽車導航，機器人姿態測量等領域。本文的創新點在于使用MEMS 和MR 元件構造 了應用于嵌入式系統中的姿態測量系統，并詳細給出了各姿態參數的計算方法。