基于KXR94加速度计的 微型惯性测量装置设计

    微型惯性测量装置MIMU(Micro Inertial Measure-ment Unit)以其尺寸小、成本低等特点不仅在传统应用领域得到应用，而且在商业领域占据了一定的市场。本文设计了一个高度集成、低功耗及低成本的微型惯性测量装置，可精确地测算出载体的航向角、俯仰角及位置等信息，为运动轨迹跟踪实验打下了基础，也可广泛地应用于民用航空、车辆控制、机器人、工业自动化、探矿、玩具等领域。

1 系统硬件设计
1．1 惯性测量器件选择
    根据运动轨迹跟踪的特征和实验本身的特点，微惯性测量装置应该满足下列设计要求：体积小、质量轻、功耗低、采集频率和采集精度高、成本低以及抗冲击能力强。为了实现这些需求，微惯性测量装置的硬件主要由微惯性传感器单元MEMS和微处理器单元DSP组成。微惯性传感器单元由微机械陀螺和微加速度计组成，可精确测量载体的3个轴向角速度信息和3个轴向加速度信息。
    加速度计是惯性导航与惯性制导系统的一类重要敏感元件，用来测量运载体相对惯性空间运动的加速度，经过积分和相关的运算就能得到载体空间的位置。加速度计是一个直接测量元件，它能连续测量运载体的加速度，然后经过计算机解算出运载体速度、经纬度及航程等。本系统采用的KXR94加速度计芯片是Kionix公司生产的三轴加速度计。该加速度计内部已经对温度和电压波动引起的偏差进行了设计补偿，因此由于电压和温度引起的偏差较小。该器件测量范围为±2 g，灵敏度系数为560 mV／g，非线性度为0．1％，零加速度漂移为±150 mg；2．8～3．3 V均可工作；功耗很低，静态电流约1.1 mA。其原理图如图1所示。

      陀螺仪用来测量载体的运动角速度。本设计中选用InvenSense公司生产的IDG-300双轴陀螺，其精度稳定在±3°／s以内需要200 ms。该器件采用3．0～3．3 V供电；测量偏航角速度的范围是±500°／s，灵敏度为2 mV／(rad·s－1)，零位输出电压为1．5 V；通过外部电阻和电容可分别设定测量角速度的范围、带宽及零位输出电压。其原理图如图2所示。

     此陀螺未对内部温度和电压引起的波动进行补偿，在设计中要充分考虑。可从两个方面来弥补其不足：①在电路板布局设计时，陀螺和加速度计芯片要尽量远离电路板上电源、串口等发热和电压波动大的芯片；②在软件算法设计时，运用陀螺的温度漂移系数对其进行修正。
1．2 硬件电路设计
    DSP采用TI公司发布的C2000系列32位定点信号处理器TMS320F2812。其整合了高性能的DSP内核、128 KB的片上Flash存储器、16路12位A／D转换器以及SCI串行通信接口。传感器单元所测得的模拟量经集成在DSP片上的A／D转换器采集写入片上Flash。所有信息在通过DSP的捷联惯导处理后得到被测目标的位置信息。最终结果通过RS232直接发送至上位机，并显示输出。
    在系统的构建中使用了2个IDG－300型陀螺仪，其中一个轴向的角度测量可以作为冗余设计。又因算法要求对加速度计和陀螺模拟信号的采集严格控制在同一时刻，故选用了2片AD684采样保持放大器。AD684的每个采样通道可以在1μs内完成采样，而信号的损失率不高于0．01 μV／μs，且拥有很好的线性度和交流特性。AD684的控制信号为S／Hn，将此引脚拉低则进行采样保持。系统将2片AD684的S／Hn信号连接到DSP的1个I／O引脚上，这样可将所有采集信号采样保持，为DSP采集做好准备。图3是惯性测量装置的硬件连接图。DSP外设部分采用3．3 V供电，故其SCI引脚的信号特性为TTL电平。在实际使用时通常需要将TTL电平转换为RS232电平。系统中选用MAX3232将DSP的SCI接口信号转换成计算机的RS232信号进行通信。这是因为RS232的工作范围是－15～+15 V。如此宽的范围即使存在电压衰减，传输信号也可以被可靠地识别；而一般情况下传输线路越长，衰减就越严重。因此，在同等情况下RS232更能实现长距离传输。为了使装置实现远距离传输，同时考虑到RS232接口的通用性，本系统选择MAX3232用于与上位计算机通信。

2 系统软件设计
    惯性导航系统属于一种推算导航方式，即根据连续测得的运载体航向角和速度，从一已知点的位置推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置。惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系，使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中，并给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度，经过对时间的一次积分得到速度，再经过对时间的一次积分即得到距离。故该装置在测量载体角速度与加速度信息的基础上，能够确定运载体的位置和地球重力场参数，从而实现载体的多种运动状态信息的测量。本系统在DSP复位以后，首先进行芯片的初始化，配置PLL、ADC、GPIO、SCI等各个功能模块，之后对AD684等外设进行配置；当AD684完成加速度计和陀螺仪的信号采集后，进入定位解算程序，将结果存入缓冲区；最后向上位机输出定位信息。系统软件流程如图4所示。

3 实验结果
    在实验室条件下，将微型惯性测量装置捆绑到人的腿部，分别进行了被测人员下楼梯和绕环形楼道行走的跟踪实验。实验结果证明，该装置能正确跟踪被测人员的每一步行踪，且效果良好。图5和图6为两种情况下该装置输出的被测人员的移动轨迹。

4 结 论
    本系统由TMS320F2812信号处理器、IDG－300型陀螺仪和KXR94加速度计组成了一个微型惯性测量装置。该装置可准确跟踪运动目标，具有体积小、质量轻、功耗低、成本低等优点。鉴于该装置的特点，还可应用于带有运动检测和状态感知的手机，以监视手机所在位置和被使用状况；带有硬盘保护系统的笔记本电脑和媒体播放器；可移动游戏机，通过改善当前游戏界面和开发新的基于运动的游戏，提供更多互动、直观和趣味性强的游戏体验；数码相机，通过检测位置、运动和振动而自动帮助用户更好地拍照等。