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STM32的多传感器融合姿态检测.doc
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STM32的多传感器融合姿态检测
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STM32 的多传感器融合姿态检测
第36卷第4期
2015年7月华侨大学学报(自然科学版)Journalo
fHuaqiaoUniversity(NaturalSci
ence)V01.36No.4Jul.2015文章编号:1000
—5013(2015)04—0422—05floi:i0.11
830/ISSN.1000—5013.2015.04.0422
STM32的多传感器融合姿态检测
黄志伟,徐苏楠,韦一,唐莹
(中国计量学院光学与电子科技学院,浙江杭州310018)
摘要:采用STM32微控制芯片作为主控芯片,搭载MPU60
50传感器、HMC5883L磁场传感器,以四旋翼
飞行器为平台进行载体姿态检测的实验.对比单一传感器和多传
感器姿态检测的实验结果,结果表明:基于多
传感器融合的姿态检测能弥补单一传感器检测姿态的不足,提高
姿态信息的精确性.
关键词:姿态检测;STM32;MPU6050;HMC588
3L;传感器
TP368.1中图分类号:文献标志码:A
姿态检测在医疗仪器、机器人、惯性测量单元、汽车电子、导航
控制等领域应用广泛[1≈].国内外众多学者对基于传感器的姿态
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检测进行了大量的研究和应用.浙江大学利用加速度传感器对人体姿
态进行检测来监测人体跌倒[4].哈尔滨工业大学机器人研究所利
用惯性传感器来检测机器人的姿态,并取得良好效果[s].国防科
技大学机电工程与自动化利用惯性传感器对机器人进行水平姿态的
检测[6].美国密歇根大学机械工程系通过在棒球和垒球内部安装
姿态检测单元,研究棒球垒球在投掷、飞行、下落过程中运动轨迹和
特点[7].姿态检测作为惯性测量的内容,还可应用于飞行器的起
飞、降落、导航等陟”3领域.本文讨论了多传感器融合进行姿态检
测的硬件设计,并搭建了四旋翼飞行器的平台.
1硬件设计
基于Cortex-M3型内核的STM32型系列芯片性能优
越、性价比极高,专为低功耗领域设计等优点‘14。151,选择ST
M32f103c8t6型芯片作为主控芯片,该芯片是一款32位
ARM微控制器,最高支持72MHz时钟频率,处理速度高,集成
了很多常用外设大量的通用输人输出接口,非常适用于多传感器的控
制处理.陀螺仪和加速度传感器选用Invensence公司的M
PU6050型芯片,该芯片将三轴陀螺仪和三轴加速度传感器集成,
能同时输出6轴信息,消除了由于
安装和焊接带来的轴间误差,减少了软件的补偿,保证
实验的准确性.通过IIC接口,扩展外部传感器输出r)
轴信息.磁场传感器采用美国Honeywell公司生产的
HMC5883L型高精度磁场传感器,分辨率达0.002
———————————————————————————————————————————————
G.
最大输出频率达160Hz.高度测量采用的是BMP08,;
型气压传感器,测量范围为300110kPa,在超低功耗
模式和超高效模式下,测量精度分别为0.06,0.03hP
a,
高度分别精确至0.5,0.25札陀螺仪和加速度传感器
模块与磁场传感器相整合,可以完成九轴姿态的解算,
其电路如图1所示.Fig.1图1九轴姿态测量模块Test
moduleofnineaxesattitudedetec
tion
高度传感器直接与主控模块通过IIC总线相连,实现快速通信,
用以检测的实验平台为四旋翼飞行收稿日期:2015—06—15
通信作者:
基金项目:唐莹(1981一)女,副教授,博士,主要从事半
导体器件及其嵌入式系统的研究.E-rrmil:tangy@c
jlu.edu.cn浙江省公益性技术应用研究项目(2013C3
1068)
万方数据
第4期黄志伟,等:STM32的多传感器融合姿态检测
器,整体硬件模块示意图及实物飞控电路板,如图2所示
圈日
压网1..................一JH割臼(b)四旋翼飞行器控
———————————————————————————————————————————————
制电路板(a)四旋翼飞行器各模块硬件示意图
图2四旋翼飞行器的实验平台
Fig.2Testplatformofquadrotor
helicopter
2四旋翼飞行器的姿态检测
陀螺仪是姿态检测中的核心部件,众多关于姿态求解的理论也都
是基于陀螺仪[16-17].三轴陀螺仪能输出载体绕3个坐标旋
转的角速度量,通过对时间积分,得到载体绕旋转轴的角度.加速度
传感器也是姿态检测中的重要惯性器件,它测量载体相对惯性空间的
绝对加速度和引力加速度之差,称为比力.在静止的状态下,三轴加
速度读传感器能测量重力在载体在3个轴上的重力分量.磁场传感器
灵敏度高,能够测量地球弱磁场,通过磁场的分布,能够计算出载体
当前偏离北向的角度.高度测量通过气压传感器测量大气压强度,间
接测量高度的变化.实验以四旋翼飞行器为测试平台,测试在振动干
扰情况下姿态检测的准确性.
2.1陀螺仪测量姿态
陀螺仪通过对时间积分求得载体姿态,但是有严重的漂移现象,
包括静止时零点的偏移和温度引起的漂移.这些偏移在积分过程中会
形成累积误差,使最终计算得到的角度会随时间漂移而不准确.首先,
对陀螺仪数据进行零偏校正.陀螺仪静止时,三轴输出数据在理想情
况下应该为0,根据这一特性,在每次硬件初始化工作时,取静止下
一组陀螺仪输出数据求平均值作为陀螺仪的零位偏移,以后读取的数
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