姿态传感器采集测试系统的设计与实现_毕盛

计算机测量与控制.2011.19(7)

Computer Measurement &Control

自动化测试

收稿日期:2010-11-06; 修回日期:2010-12-16。

基金项目:国家自然科学基金资助项目(60873078);广州市科技计划项目(2009KP008)。

作者简介:毕 盛(1978-),男,甘肃天水人,博士研究生,主要从事机器人及姿态传感器信息处理方向的研究。

文章编号:1671-4598(2011)07-1562-03 中图分类号:T P212

文献标识码:A

姿态传感器采集测试系统的设计与实现

毕 盛,闵华清,李 淳,黄斐全,陈必强

(华南理工大学计算机科学与工程学院,广东广州 510640)

摘要:设计了一套基于ST M 32单片机的姿态传感器无线采集测试系统,大大方便了姿态传感器的研究与应用。首先设计了姿态传感器采集测试系统的整体框架;接着对测试系统的各部分硬件电路进行了说明,描述了ADXL204加速度和ADXRS150陀螺仪传感器的电路和计算公式,并说明了ST M 32单片机和PC 上位机程序的结构和流程;最后利用本测试系统对ADXL204和ADXRS150传感器进行了测试和分析;通过对这两种传感器数据进行卡尔曼滤波,消除陀螺仪的漂移,同时减少了加速度传感器有害的噪声,从而得到精确的角度。

关键词:陀螺仪;加速度传感器;姿态传感器

Design and Realization of Attitude Sensor Estimation System

Bi Sheng,M in H uaqing,Li Chun,H uang Feiquang,Chen Biqiang

(School of Computer Science and Eng ineer ing,South China U niver sity o f T echno log y,Guangzhou 510640,China)

Abstract:A w ireless attitude s ensor acquisition an d estimation sy stem w as designed based on the n ew gen eration m icroprocessor called S TM 32,w hich made attitude sensor easily u sed.Firstly,the fram ew ork of th e s ystem w as proposed.T hen the system hardw are,tw o kin ds of attitude sensors (ADXL204and ADXRS150)hardw are and equation w ere described.And th e s oftw are proces ses and s tru cture of ST M 32M CU an d PC w ere presented.Finally ADXL204and ADXRS150w ere tested in our system.T hrough the Kalm an filtering fus ion equ ation of th e tw o kinds of s ens or s,th e noise w as reduced.

Key words :gyros cope;acceler om eter;attitude s ens or

0 引言

在机器人平衡控制、汽车定位和捷联惯导等许多领域中需要获得载体姿态信息,姿态传感器应用越来越广泛[1-2]。需要专门的测试平台来对姿态传感器的性能进行测试和分析,而针对这方面的设计和研究还很少。本文设计出一套姿态传感器测试系统,通过无线蓝牙模块实现对姿态传感器的控制和数据的采集,方便对移动物体上的姿态传感器数据进行分析和研究。

1 系统框架

姿态传感器主要包括加速度传感器和陀螺仪。加速度传感器也叫倾角传感器,通过重力加速度可得到姿态倾斜角。陀螺仪也叫做角速度传感器用来测量姿态的角速度。目前,A DI 公司、Freescale 公司和ST 公司等都开发出了一系列的姿态传感器芯片。

文中主要对A DI 公司的A DXL 204加速度传感器和ADX RS150陀螺仪传感器的数据处理进行了分析和研究。

整个系统采用Cortex -M 3核的ST M 32单片机

[3]作为主芯片,控制舵机使姿态传感器转动到设定的角度,同时采集姿态传感器的数据到主芯片

,然后利用蓝牙模块把姿态传感器测量的姿态数据无线传送给上位机,最后上位机把测量到的姿态数据处理后和设定的姿态数据进行比较,从而可对姿态传感器数据采集和处理方法进行分析和研究,如图1所示。

图1 姿态传感器测试系统

姿态数据采集测试系统框架图如图2所示。

图2 姿态数据采集测试系统框图

上位PC 机通过蓝牙模块向ST M 32单片机发送指令,使ST M 32单片机控制舵机带动姿态传感器以一定的速度转到一定的角度,同时通过ST M 32单片机采集姿态传感器数据,最后通过蓝牙模块把采集到的数据送给上位PC 机,PC 机会把采集的数据保存下来。最后可利用M atlab 软件对采集到的数据进行处理从而可计算出姿态转动的角度,并和设定的姿态角度进行比较。从而对姿态传感器的测量数据和处理方法进行分析和比较。

2 系统的硬件设计

系统硬件整体框图,如图3所示。211 MC U 模块

ST M 32单片机[3]是ST 公司采用A RM Cortex -M3体系结构

#1562#

第7期毕 盛,等:姿态传感器采集测试系统的设计与实现

图3 系统硬件框架图

的32位单片机。本系统采用具体型号是ST M 32F103ZCT ,它工

作频率为72MH z,片上集成了Flash 是512kB,SRA M 64kB,处理速度快适合对姿态传感器的数据进行处理。由于处理器接口丰富,适用于对各种传感器模块数据的采集,所以采用ST M 32F 103ZCT 作为整个系统的处理芯片。212 蓝牙通信模块

蓝牙通信模块采用CSR 公司的BlueCor e4-Ex ter nal 蓝牙芯片,V210协议标准,工业级标准,体积尺寸紧凑,自带高效板载天线,工作电压:217~313V 。通过RS232串行口(T T L 电平)与连接在PC 机的各种蓝牙适配器通信。波特率最高可达到1382400。213 姿态传感器接口

目前姿态传感器输出主要是模拟输出,所以采集系统提供多路模拟A D 输入口。在每路传感器模拟接口电路处,为了抗干扰都有RC 低通滤波电路,同时为满足多种传感器电平的需要都有电平转换电路。如有的传感器芯片电源是5V,模拟输出是0~5V 的电平;而单片机芯片电源是313V,只能接收0~313V 的模拟信号。所以就要通过电平转换电路把模拟电压从0~5V 转到0~313V ,本文采用电压分压电路来实现电平转换。

有些姿态传感器采用数字输出,主要是采用I 2C 或SP I 接口作为输出口,所以电路中引出了I 2C 和SPI 接口。

214 舵机控制电路

舵机是一个伺服系统,本文利用韩国R obotis 公司的RX64高精度舵机控制姿态传感器到一定的角度。RX64采用RS485总线和单片机通信,单片机根据R X64的通信协议,通过RS485总线可控制R X64以设定的速度转动设定的角度。电路是单片机的U A RT 2串行通信接口通过RS485芯片和RX64舵机连接。215 电源电路

电源电路采用锂电池供电(716~814V ),并利用LM 1117-313和LM 1117-5电源芯片分别产生313V 电源和5V 电源。其中313V 电源向ST M 32F103ZCT 芯片和其它313V 电源芯片供电,5V 电源主要是为有些是5V 的传感器芯片提供电源。

3 姿态传感器

姿态传感器的型号很多,本文主要对ADI 公司的ADX L204加速度和A DXRS150陀螺仪传感器的数据进行采集

和处理。

311 ADXL204加速度传感器[4]

AD XL204是一个双轴的加速度传感器,供电电压是313V ,量程?117g 。

加速度电路主要由A DXL 204构成,并辅助一些滤波电

路,如图4所示。其中Cx 和Cy 与A DXL 204芯片内部的

R FI LT (32k)构成了低通滤波器,带宽是015Hz~215kHz 。在本电路中Cx 和Cy 是011L F 。X out 和Y o ut 是ADX L204在x 轴和y 轴加速度的输出,输出0~313V 的模拟量。

图4 ADXL204传感器电路图

X a 和Y a 沿x 轴和y 轴方向上的加速度值可根据X o ut 和Y o ut 求得,见式(1)和式(2)。

X a =(X out *V DD /2d -V 0g )/K a v

(1)Y a =(Y out *V DD /2d -V 0g )/K av

(2)

其中,V DD 是芯片的供电电压313V ;d 是ST M 32芯片A DC 位数,是12位;V 0g 是AD XL204在重力加速度为0g 时的电压值,通过查手册可得1165?011V ;K av

是加速度值与测

量电压比例系数:620?25mV/g 。

根据传感器数据手册得到加速度和倾斜角度的关系,见式(3)(4)。可求得沿x 轴和y 轴的倾斜角度。

X =AS I N (X a /1g )(3)Y =AS I N (Y a /1g)

(4)

312 ADXRS150陀螺仪[5]

A DXR S150是一款陀螺仪芯片,供电电压5V,量程是150度/秒。具体电路如图5所示。

图5 ADXRS150传感器电路图

其中C4和C5结合传感器内部电路构成了两个低通滤波器,主要用来抗干扰。C1和C2主要是用来升压用,把5V 升到传感器内部要用的14~16V 电压。

角速度值可以通过下式求得:

w =((OUT *V DD /2d )*(R 1+R 2/R 1)-V 0w )/K wv

(5)

其中,OUT 是角速度传感器的模拟输出数据;V DD 是单片机供电电压313V ;R1和R2是采集电路分压电阻,由于A DXR S150电压是5V ,通过R 1和R 2把传感器输出转换到0~313V ,R 1=313k 8,R 2=117k 8;V 0w 是A DXR S150在角速度为0时的电压值,通过查手册可得215?013V ;K w v 是角速度值与测量电压比例系数:1215?1125mV /(o /S)。

4 系统软件设计

411 单片机软件设计

ST M 32单片机程序主要是通过蓝牙接收上位机P C 的控制指令,可控制舵机运动,并随时把采集到的数据通过蓝牙送给PC 。具体的程序流程如图6所示。

#

1563#