基于低成本MEMS器件的捷联航姿系统设计

随着军事和工程领域的进步和发展，对航姿系统功能提出了更高的要求，航姿系统也逐渐向低成本和微小型的方向发展。本文在惯性测量单元的基础上进行了优化，设计基于低成本mems器件的航姿系统，分析了系统的硬件和软件，论述了系统算法，总结了试验结果。

【关键词】航姿系统 低成本 MEMS器件

在科学技术不断发展的同时，低成本、微小型基于MEMS惯性器件的导航系统逐渐占据市场优势，成为现今导航市场的主要产品，MEMS航姿测量系统以其成本低廉、结构简单的优点在汽车电子工业和电子消费品种占据重要位置，在汽车导航、航空航天等领域获得了广泛的应用。

1 捷联式导航系统介绍

捷联式航姿导航系统没有机械平台，姿态角和航向角不能直接得出，因此需要将数学平台建立于导航计算机中，通过机体坐标系相对地理坐标系的方向余弦阵对姿态角和航向角进行计算，必须明确常见的参考坐标系。

地球坐标系固定于地球上，三个坐标轴与地球相固结，此坐标系相对惯性坐标系的运动即是地球相对惯性空间的运动。地理坐标系是载体用来表示所在位置的东向、北向和垂线方向的坐标系。

2 系统的硬件组成

2.1 惯性测量单元

系统的惯性测量单元包含三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计、温度传感器，抗干扰能力较强，具有体积小、可靠性高的特点，惯性测量单元通过SPI接口实现系统集成。

2.2 核心处理单元

核心处理单元是捷联航姿系统的重要部分，主要实现MMU（存储管理单元）的数据接收、航姿解算和结果输出。本研究中选用VC33芯片（支持实时系统）作为核心处理单元，VC33芯片性价比较高，被广泛应用于捷联系统结算量大、计算精度高的系统中。采用适宜模块化设计的FPGA结构进行优化集成，FPGA结构灵活，具有丰富的接口功能，易于维护和扩展，适合模块化设计，传感器将采集的信息传递给FPGA，在满足应用程序运行过程中资源需求的同时为用户提供丰富的通讯接口，其中资源需求包含存储空间和处理器的运行速度，通讯接口包括下载接口、传感器接口等。

2.3 通信接口部分

捷联航姿系统框图见图1。

3 系统软件设计

3.1 μC/OS-II实时操作系统的移植

μC/OS-II实时操作系统的移植提高了系统的实时性和各任务间的协调性。在实现航姿解算的过程中主要应用μC/OS-II多任务机制进行，应用程序中包含姿态解算、组合滤波、初始校准、结果显示4个应用任务，此外还含有两个中断服务，分别是外部中断EINT1和串口中断UART1，其中外部中断负责MEMS传感器的采样，串口中断负责GPS数据的接收。软件结构如图2所示。

3.2 航姿显示

本研究基于LabWindows/CVI环境设计出上位机的航姿显示软件，提高检测载体姿态变化的直观性。航姿显示结果的绘制需要通过5个画布控件、2个NUMRIC控件画布和1个绘图函数完成。利用SetCtrlAttribute（）函数确定画布的位置和大小，再根据控件的叠放层次对软件的实际效果进行调整。

4 系统重要算法

4.1 磁传感器误差补偿

为了实现磁传感器的误差补偿，先了解磁传感器的误差类型，主要有制造误差、安装误差、磁场产生的罗差3类。

X轴和Y轴磁传感器的输出在坐标系中的映射为圆，圆心在坐标系的原点（0，0）处。硬磁干扰导致圆心便宜，软磁干扰导致形状变化，硬磁干扰引起零位误差，软磁干扰引起灵敏度误差。系统应用中利用以下方法进行校正和补偿。

4.2 低阶卡尔曼滤波器设计

卡尔曼滤波器的状态维数增加时会导致滤波计算负担加大，降低系统的实时性，因此常忽略影响较小的误差状态，这些误差状态一般不可观测或者观测度较小，便于运算的简化。另外系统采用的MU精度不高，本研究应用低阶卡尔曼滤波器，系统方程如公式：

X（t）=AX（t）+W（t）

状态变量选为；航向角误差p，东向和北向速度误差svE和svN，平台失准角qE，qN，qU，陀螺漂移mE，mN，mU。

将水平速度误差svE和svN和传感器的航向角误差p作为主要的量测量，则量测方程为：

Z（t）=HX（t）+V（t）

5 研究结果

试验以30min为基本周期做出测算，试验结果见图3。

A、B、C分别表示静态航向角变化、静态横滚角变化和静态俯仰角变化下的曲线图像。从图像中可以看出，水平姿态角的变化在0.4°范围内，满足系统设计要求。

为了验证捷联航姿系统的测量精度，利用手动位置转台开展多次转台试验，经过磁传感器误差补偿后，航向角在起止位置具有良好的重复性，转台停止转动后，航向角并未迅速发散。

6 结束语

本研究在惯性测量单元的基础上，选用VC33芯片作为核心处理单元，集成了FPGA结构，通过移植μC/OS-II实时操作系统，提高了系统的应用性和实时性。另外，在实际制造中发现，系统主电路版板面的面积为47*70mm，实现了小型化、轻便化、低功耗、低成本。总而言之，该航姿系统的精度和实时性均能达到设计要求，对未来小型飞行器的航姿系统研究具有一定的指导意义。

参考文献

[1]杜继永，黄国荣，张凤鸣等.基于低成本MEMS器件的捷联航姿系统设计[J].传感技术学报，2010，23（11）：166.

[2]牛晓航，刘诗斌，冯文光等.基于ARM的低成本微型捷联航姿系统设计[J].测控技术，2012，31（11）：67.

[3]崔璐璐，郝应光.基于MEMS器件的姿态航向系统实现[J].电脑知识与技术，2009，51（33）：95.

作者简介

李华栋（1985-），男，贵州省遵义市人。大学本科学历。现为陕西东方航空仪表有限责任公司工程师，从事捷联惯性技术工作。

作者单位

陕西东方航空仪表有限责任公司 陕西省汉中市 723102