一种基于mems和mr传感器的载体姿态测量系统的制作方法
一种基于mems和mr传感器的载体姿态测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种姿态测量系统，尤其涉及一种基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统，属于姿态测量控制领域。
【背景技术】
[0002]传统的姿态测量系统采用捷联式惯导系统(SINS)，相比平台式惯导系统而言，其具有体积相对更小，成本相对更低，易于安装和维护并且可靠性更高的有点，因此，捷联惯导系统在飞行器导航和姿态测量中得到了广泛的研宄和应用。
[0003]然而，传统的姿态测量系统包括捷联式惯导普遍具有体积大，重量大，复杂程度高等特点，使得传统的姿态测量系统无法应用于日常应用。同时，传统的捷联惯导系统一般需要一个寻北系统的辅助来获得载体的方位角，但是传统的寻北系统多为基于陀螺的系统，其体积和复杂度也是日常应用所无法接受的。可见，对于对体积具有严格限制的嵌入式系统而言，需要研制一种小型的姿态测量系统来满足其姿态测量的要求。MEMS技术和MR技术的快速发展，为研制这种低成本，小体积，高集成度的姿态测量系统提供了可能，从而可以使得对体积和成本敏感的系统具有姿态测量的能力。
[0004]例如申请号为“201210557018.2”的一种姿态测量方法和姿态测量系统，在保证姿态测量的稳定性的同时减少误差。所述方法包括:采用双天线全球定位系统GPS测量筒状部件的第一姿态信息；采用微机电系统MEMS测量筒状部件的第二姿态信息；将所述第一姿态信息和所述第二姿态信息进行数据融合得到筒状部件的全姿态信息并输出。该发明采用双天线GPS与MEMS组合的方式进行姿态测量，利用双天线GPS的方式，启动时间快，姿态测量的设备成本低，误差较小，再结合MEMS完成设备的短时间姿态保持能力，在保证测量精度的同时提高了姿态测量设备对外界复杂电磁环境的抗干扰能力，增强了姿态测量的稳定性。
[0005]又如申请号为“201310657215.6”的一种基于单轴加速度传感器和三轴磁场传感器的姿态测量系统及其姿态测量方法，该系统包括:加速度传感器、三轴磁场传感器、GNSS模块和数据处理模块；所述的加速度传感器为与前进轴正交布置的Z轴向单轴加速度传感器，用于测量重力加速度分量，得到地面载体的横滚角和俯仰角的三角关系；所述的数据处理模块，用于根据位置信息查表获取地磁场模、地磁倾角信息和地磁偏角信息，结合地面载体的横滚角和俯仰角的三角关系以及载体坐标系下地磁场的三个分量阵列最终解算出航向角、俯仰角和横滚角。该发明的姿态测量新方法能够在载体静止或低速移动状态下实现载体姿态角的准确解算，可以减少一个测量量，避免更多测量噪声的引入。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是针对【背景技术】的不足提供了一种方便、灵活、易于操作基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统。
[0007]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案: 一种基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统，包含三轴MEMS加速度计、三轴MR传感器、微控制器模块、模数转换模块、显示模块和电源模块；所述三轴MEMS加速度计和三轴MR传感器均通过模数转换模块连接微控制器模块，所述显示模块和电源模块连接在微控制器模块的相应端口上；
其中，三轴MEMS加速度计，用于获取载体基于重力向量的俯仰角和横滚角；
三轴MR传感器，用于获取载体基于地磁向量的方位角；
模数转换模块，用于将三轴MEMS加速度计和三轴MR传感器获取的模拟信号转换成数字信号；
微控制器模块，用于根据获取的基于重力向量的俯仰角、横滚角以及基于地磁向量的方位角计算出载体的姿态参数；
显示模块，用于实时显示微控制器模块计算出的载体姿态参数。
[0008]作为本发明一种基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统的进一步优选方案，所述微控制器模块采用AVR系列单片机。
[0009]作为本发明一种基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统的进一步优选方案，所述显不1?块为IXD显不屏。
[0010]作为本发明一种基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统的进一步优选方案，所述三轴MEMS加速度计的芯片型号为MMA7260Q。
[0011]作为本发明一种基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统的进一步优选方案，所述三轴MR传感器的芯片型号为HMC2003。
[0012]本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:
1、本发明结构简单、具有低成本，高精度，微型化数字显示的特点；
2、本发明利用三轴MEMS加速度计用来获得载体基于重力向量的俯仰角和横滚角，而三轴MR传感器的输出经过以俯仰角和横滚角为参数的矩阵变换后可以给出载体相对于地磁北极的方位角，进而获取载体姿态。
【附图说明】
[0013]图1是本发明的结构原理图。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
如图1所示，本发明设计一种基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统，包含三轴MEMS加速度计、三轴MR传感器、微控制器模块、模数转换模块、显示模块和电源模块；所述三轴MEMS加速度计和三轴MR传感器均通过模数转换模块连接微控制器模块，所述显示模块和电源模块连接在微控制器模块的相应端口上；
其中，三轴MEMS加速度计，用于获取载体基于重力向量的俯仰角和横滚角；
三轴MR传感器，用于获取载体基于地磁向量的方位角；
模数转换模块，用于将三轴MEMS加速度计和三轴MR传感器获取的模拟信号转换成数字信号；
微控制器模块，用于根据获取的基于重力向量的俯仰角、横滚角以及基于地磁向量的方位角计算出载体的姿态参数；
显示模块，用于实时显示微控制器模块计算出的载体姿态参数。
[0015]本发明采用三轴MEMS加速度计用来获得载体基于重力向量的俯仰角和横滚角，而三轴MR传感器的输出经过以俯仰角和横滚角为参数的矩阵变换后可以给出载体相对于地磁北极的方位角。
[0016]其中，所述微控制器模块采用AVR系列单片机，所述显示模块为LCD显示屏，所述三轴MEMS加速度计的芯片型号为MMA7260Q，所述三轴MR传感器的芯片型号为HMC2003。
[0017]本系统选用了 Honeywell的HMC2003三轴磁阻传感器。HMC2003是一个高灵敏度三轴MR传感器，它是由单轴MR传感器HMC1001和双轴MR传感器HMC1002组合而成。其精度可以达到400ugauss，量程为±2gauss，灵敏度为lV/gauss。磁阻传感器在经历了强磁场之后会被磁化而引起磁滞，从而引起输出信号的失真，Honeywell的“set/reset”功能可以消除这种磁滞而使传感器恢复到正常的工作状态。
[0018]三轴MEMS加速度计:本系统中的加速度计选用了 Freescale的MMA7260Q单片三轴加速度计。MMA7260Q是一个低成本的电容式微机械加速度计，其内部具有信号调整、单极低通滤波器、温度补偿等功能，其量程可以通过编程选择1.5g/2g/4g/6g之一。
[0019]AVR单片机具有预取指令功能，即在执行一条指令时，预先把下一条指令取进来，使得指令可以在一个时钟周期内执行；多累加器型，数据处理速度快；AVR单片机具有32个通用工作寄存器，相当于有32条立交桥，可以快速通行；中断响应速度快。AVR单片机有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断；AVR单片机耗能低。对于典型功耗情况，WDT关闭时为ΙΟΟηΑ，更适用于电池供电的应用设备；有的器件最低1.8 V即可工作；AVR单片机保密性能好。
[0020]本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0021]以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
【主权项】
1.一种基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统，其特征在于:包含三轴MEMS加速度计、三轴MR传感器、微控制器模块、模数转换模块、显示模块和电源模块；所述三轴MEMS加速度计和三轴MR传感器均通过模数转换模块连接微控制器模块，所述显示模块和电源模块连接在微控制器模块的相应端口上； 其中，三轴MEMS加速度计，用于获取载体基于重力向量的俯仰角和横滚角； 三轴MR传感器，用于获取载体基于地磁向量的方位角； 模数转换模块，用于将三轴MEMS加速度计和三轴MR传感器获取的模拟信号转换成数字信号； 微控制器模块，用于根据获取的基于重力向量的俯仰角、横滚角以及基于地磁向量的方位角计算出载体的姿态参数； 显示模块，用于实时显示微控制器模块计算出的载体姿态参数。2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统，其特征在于:所述微控制器模块采用AVR系列单片机。3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统，其特征在于:所述显示模块为IXD显示屏。4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统，其特征在于:所述三轴MEMS加速度计的芯片型号为MMA7260Q。5.根据权利要求1所述的一种基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统，其特征在于:所述三轴MR传感器的芯片型号为HMC2003。
【专利摘要】本发明公开了一种基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统，包含三轴MEMS加速度计、三轴MR传感器、微控制器模块、模数转换模块、显示模块和电源模块；所述三轴MEMS加速度计和三轴MR传感器均通过模数转换模块连接微控制器模块，所述显示模块和电源模块连接在微控制器模块的相应端口上，三轴 MEMS 加速度计用来获得载体基于重力向量的俯仰角和横滚角，而三轴MR 传感器的输出 经过以俯仰角和横滚角为参数的矩阵变换后可以给出载体相对于地磁北极的方位角。
【IPC分类】G01C21/00
【公开号】CN104897153
【申请号】CN201510350409
【发明人】孙志君, 方继广, 唐猛, 王国荣
【申请人】苏州市英富美欣科技有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月23日
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种姿态测量系统，尤其涉及一种基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统，属于姿态测量控制领域。
【背景技术】
[0002]传统的姿态测量系统采用捷联式惯导系统(SINS)，相比平台式惯导系统而言，其具有体积相对更小，成本相对更低，易于安装和维护并且可靠性更高的有点，因此，捷联惯导系统在飞行器导航和姿态测量中得到了广泛的研宄和应用。
[0003]然而，传统的姿态测量系统包括捷联式惯导普遍具有体积大，重量大，复杂程度高等特点，使得传统的姿态测量系统无法应用于日常应用。同时，传统的捷联惯导系统一般需要一个寻北系统的辅助来获得载体的方位角，但是传统的寻北系统多为基于陀螺的系统，其体积和复杂度也是日常应用所无法接受的。可见，对于对体积具有严格限制的嵌入式系统而言，需要研制一种小型的姿态测量系统来满足其姿态测量的要求。MEMS技术和MR技术的快速发展，为研制这种低成本，小体积，高集成度的姿态测量系统提供了可能，从而可以使得对体积和成本敏感的系统具有姿态测量的能力。
[0004]例如申请号为“201210557018.2”的一种姿态测量方法和姿态测量系统，在保证姿态测量的稳定性的同时减少误差。所述方法包括:采用双天线全球定位系统GPS测量筒状部件的第一姿态信息；采用微机电系统MEMS测量筒状部件的第二姿态信息；将所述第一姿态信息和所述第二姿态信息进行数据融合得到筒状部件的全姿态信息并输出。该发明采用双天线GPS与MEMS组合的方式进行姿态测量，利用双天线GPS的方式，启动时间快，姿态测量的设备成本低，误差较小，再结合MEMS完成设备的短时间姿态保持能力，在保证测量精度的同时提高了姿态测量设备对外界复杂电磁环境的抗干扰能力，增强了姿态测量的稳定性。
[0005]又如申请号为“201310657215.6”的一种基于单轴加速度传感器和三轴磁场传感器的姿态测量系统及其姿态测量方法，该系统包括:加速度传感器、三轴磁场传感器、GNSS模块和数据处理模块；所述的加速度传感器为与前进轴正交布置的Z轴向单轴加速度传感器，用于测量重力加速度分量，得到地面载体的横滚角和俯仰角的三角关系；所述的数据处理模块，用于根据位置信息查表获取地磁场模、地磁倾角信息和地磁偏角信息，结合地面载体的横滚角和俯仰角的三角关系以及载体坐标系下地磁场的三个分量阵列最终解算出航向角、俯仰角和横滚角。该发明的姿态测量新方法能够在载体静止或低速移动状态下实现载体姿态角的准确解算，可以减少一个测量量，避免更多测量噪声的引入。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是针对【背景技术】的不足提供了一种方便、灵活、易于操作基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统。
[0007]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案: 一种基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统，包含三轴MEMS加速度计、三轴MR传感器、微控制器模块、模数转换模块、显示模块和电源模块；所述三轴MEMS加速度计和三轴MR传感器均通过模数转换模块连接微控制器模块，所述显示模块和电源模块连接在微控制器模块的相应端口上；
其中，三轴MEMS加速度计，用于获取载体基于重力向量的俯仰角和横滚角；
三轴MR传感器，用于获取载体基于地磁向量的方位角；
模数转换模块，用于将三轴MEMS加速度计和三轴MR传感器获取的模拟信号转换成数字信号；
微控制器模块，用于根据获取的基于重力向量的俯仰角、横滚角以及基于地磁向量的方位角计算出载体的姿态参数；
显示模块，用于实时显示微控制器模块计算出的载体姿态参数。
[0008]作为本发明一种基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统的进一步优选方案，所述微控制器模块采用AVR系列单片机。
[0009]作为本发明一种基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统的进一步优选方案，所述显不1?块为IXD显不屏。
[0010]作为本发明一种基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统的进一步优选方案，所述三轴MEMS加速度计的芯片型号为MMA7260Q。
[0011]作为本发明一种基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统的进一步优选方案，所述三轴MR传感器的芯片型号为HMC2003。
[0012]本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:
1、本发明结构简单、具有低成本，高精度，微型化数字显示的特点；
2、本发明利用三轴MEMS加速度计用来获得载体基于重力向量的俯仰角和横滚角，而三轴MR传感器的输出经过以俯仰角和横滚角为参数的矩阵变换后可以给出载体相对于地磁北极的方位角，进而获取载体姿态。
【附图说明】
[0013]图1是本发明的结构原理图。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
如图1所示，本发明设计一种基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统，包含三轴MEMS加速度计、三轴MR传感器、微控制器模块、模数转换模块、显示模块和电源模块；所述三轴MEMS加速度计和三轴MR传感器均通过模数转换模块连接微控制器模块，所述显示模块和电源模块连接在微控制器模块的相应端口上；
其中，三轴MEMS加速度计，用于获取载体基于重力向量的俯仰角和横滚角；
三轴MR传感器，用于获取载体基于地磁向量的方位角；
模数转换模块，用于将三轴MEMS加速度计和三轴MR传感器获取的模拟信号转换成数字信号；
微控制器模块，用于根据获取的基于重力向量的俯仰角、横滚角以及基于地磁向量的方位角计算出载体的姿态参数；
显示模块，用于实时显示微控制器模块计算出的载体姿态参数。
[0015]本发明采用三轴MEMS加速度计用来获得载体基于重力向量的俯仰角和横滚角，而三轴MR传感器的输出经过以俯仰角和横滚角为参数的矩阵变换后可以给出载体相对于地磁北极的方位角。
[0016]其中，所述微控制器模块采用AVR系列单片机，所述显示模块为LCD显示屏，所述三轴MEMS加速度计的芯片型号为MMA7260Q，所述三轴MR传感器的芯片型号为HMC2003。
[0017]本系统选用了 Honeywell的HMC2003三轴磁阻传感器。HMC2003是一个高灵敏度三轴MR传感器，它是由单轴MR传感器HMC1001和双轴MR传感器HMC1002组合而成。其精度可以达到400ugauss，量程为±2gauss，灵敏度为lV/gauss。磁阻传感器在经历了强磁场之后会被磁化而引起磁滞，从而引起输出信号的失真，Honeywell的“set/reset”功能可以消除这种磁滞而使传感器恢复到正常的工作状态。
[0018]三轴MEMS加速度计:本系统中的加速度计选用了 Freescale的MMA7260Q单片三轴加速度计。MMA7260Q是一个低成本的电容式微机械加速度计，其内部具有信号调整、单极低通滤波器、温度补偿等功能，其量程可以通过编程选择1.5g/2g/4g/6g之一。
[0019]AVR单片机具有预取指令功能，即在执行一条指令时，预先把下一条指令取进来，使得指令可以在一个时钟周期内执行；多累加器型，数据处理速度快；AVR单片机具有32个通用工作寄存器，相当于有32条立交桥，可以快速通行；中断响应速度快。AVR单片机有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断；AVR单片机耗能低。对于典型功耗情况，WDT关闭时为ΙΟΟηΑ，更适用于电池供电的应用设备；有的器件最低1.8 V即可工作；AVR单片机保密性能好。
[0020]本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0021]以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
【主权项】
1.一种基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统，其特征在于:包含三轴MEMS加速度计、三轴MR传感器、微控制器模块、模数转换模块、显示模块和电源模块；所述三轴MEMS加速度计和三轴MR传感器均通过模数转换模块连接微控制器模块，所述显示模块和电源模块连接在微控制器模块的相应端口上； 其中，三轴MEMS加速度计，用于获取载体基于重力向量的俯仰角和横滚角； 三轴MR传感器，用于获取载体基于地磁向量的方位角； 模数转换模块，用于将三轴MEMS加速度计和三轴MR传感器获取的模拟信号转换成数字信号； 微控制器模块，用于根据获取的基于重力向量的俯仰角、横滚角以及基于地磁向量的方位角计算出载体的姿态参数； 显示模块，用于实时显示微控制器模块计算出的载体姿态参数。2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统，其特征在于:所述微控制器模块采用AVR系列单片机。3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统，其特征在于:所述显示模块为IXD显示屏。4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统，其特征在于:所述三轴MEMS加速度计的芯片型号为MMA7260Q。5.根据权利要求1所述的一种基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统，其特征在于:所述三轴MR传感器的芯片型号为HMC2003。
【专利摘要】本发明公开了一种基于MEMS和MR传感器的载体姿态测量系统，包含三轴MEMS加速度计、三轴MR传感器、微控制器模块、模数转换模块、显示模块和电源模块；所述三轴MEMS加速度计和三轴MR传感器均通过模数转换模块连接微控制器模块，所述显示模块和电源模块连接在微控制器模块的相应端口上，三轴 MEMS 加速度计用来获得载体基于重力向量的俯仰角和横滚角，而三轴MR 传感器的输出 经过以俯仰角和横滚角为参数的矩阵变换后可以给出载体相对于地磁北极的方位角。
【IPC分类】G01C21/00
【公开号】CN104897153
【申请号】CN201510350409
【发明人】孙志君, 方继广, 唐猛, 王国荣
【申请人】苏州市英富美欣科技有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月23日
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