專利名稱：基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信號(hào)采集和測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于微機(jī)電系統(tǒng) (Micro Eelectro Mechanical System, MEMS)的微慣性測(cè)量裝置，具體是 一種基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置。其特點(diǎn)在于體積小、重 量輕、功耗低、成本低、無(wú)線傳輸，可應(yīng)用于機(jī)器人、飛行器、車輛、人 體運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域的位姿檢測(cè)。
背景技術(shù)：
隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Eelectro Mechanical System, MEMS)技術(shù)的
發(fā)展，微陀螺儀和微加速度計(jì)等新型傳感器件不斷涌現(xiàn)，它們具有價(jià)格低、 體積小、重量輕、精度高等特點(diǎn)，而且很容易進(jìn)行集成。
利用微機(jī)電慣性測(cè)量組合技術(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)載體位姿的跟蹤具有非常廣 闊的前景。慣性跟蹤系統(tǒng)的基本原理是在目標(biāo)初始位置、姿態(tài)已知基礎(chǔ)上， 依據(jù)慣性原理，利用陀螺和加速度計(jì)等慣性敏感元件測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的角速 度和直線加速度，然后通過(guò)積分獲得物體的位置和姿態(tài)。對(duì)陀螺儀輸出的 角速度一次積分可以獲得姿態(tài)信息，對(duì)加速度計(jì)輸出的加速度兩次積分可 以獲得位置信息。
由于慣性跟蹤系統(tǒng)完全依賴自身進(jìn)行導(dǎo)航，不需要外部信號(hào)源，所以 可以在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的跟蹤，成為目前大范圍跟蹤的主要跟蹤方 式。通常這種慣性跟蹤系統(tǒng)可以對(duì)1至3個(gè)自由度的姿態(tài)進(jìn)行跟蹤，精度 可以達(dá)到0.2。，分辨率可以達(dá)到0.032°。
慣性跟蹤技術(shù)在微小運(yùn)動(dòng)載體運(yùn)動(dòng)跟蹤中的應(yīng)用主要受制于它價(jià)格、 體積和重量。這些年MEMS技術(shù)取得了迅猛發(fā)展，目前整個(gè)微慣性測(cè)量 組合的尺寸僅為2cmx2cmx0.5cm，質(zhì)量約5 g 。體積小、重量輕、成本低、 性能優(yōu)越的微慣性測(cè)量組合器件的出現(xiàn)，使得采用慣性跟蹤技術(shù)進(jìn)行微小 運(yùn)動(dòng)載體位姿跟蹤成為可能。目前已有一些相關(guān)的研究，但還剛剛起步，特別是將其用于手/臂運(yùn)動(dòng)跟蹤方面，還沒(méi)有相關(guān)的專利技術(shù)。
此外，就應(yīng)用于微小型化的載體姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，迫切需要具有實(shí)
時(shí)處理位置與姿態(tài)信息的集成化處理單元。ZigBee是部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)
的新技術(shù)，它是一種短距離、低速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一種介于無(wú)線標(biāo)記
技術(shù)與藍(lán)牙技術(shù)之間的技術(shù)。ZigBee—詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時(shí)， 通過(guò)跳ZigZag形舞蹈來(lái)告知同伴，達(dá)到交換信息的目的，借此稱呼一種 專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。
基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)除了能滿足微型慣性測(cè)量組合裝置實(shí)時(shí)進(jìn)行 姿態(tài)解算算法的要求，還能提供與主機(jī)及其它傳感器節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線通信， 并能組成具有多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。這使得整個(gè)微型慣性 測(cè)量組合裝置的微型化、網(wǎng)絡(luò)化成為可能，而且大大降低了系統(tǒng)成本。

發(fā)明內(nèi)容
(一) 要解決的技術(shù)問(wèn)題
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有慣性測(cè)量系統(tǒng)體積大、功 耗高、造價(jià)高等不足，提出一種具有精度高、功耗低、體積小、重量輕、 實(shí)時(shí)性好，且具有遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸功能，基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣 性測(cè)量裝置。
(二) 技術(shù)方案
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣 性測(cè)量裝置，其特征在于，該裝置至少包括
六軸微慣性傳感器4，用于根據(jù)接收自信號(hào)板5中處理器模塊13的控 制指令采集三軸陀螺儀信號(hào)和三軸加速度計(jì)信號(hào)，并將采集的三軸陀螺儀 信號(hào)和三軸加速度計(jì)信號(hào)輸出給信號(hào)板5中處理器模塊13;
信號(hào)板5，用于控制六軸微慣性傳感器4采集三軸陀螺儀信號(hào)和三軸 加速度計(jì)信號(hào)，以及控制信號(hào)板5中三軸磁場(chǎng)計(jì)模塊12采集三軸磁場(chǎng)計(jì) 信號(hào)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，然后進(jìn)行捷聯(lián)解算，得到運(yùn)到運(yùn)動(dòng) 載體的姿態(tài)和航向；以及
電池倉(cāng)2，用于放置為該裝置供電的電池。上述方案中，所述六軸微慣性傳感器4通過(guò)SPI接口與信號(hào)板5中處 理器模塊13進(jìn)行通訊，至少包括
三軸陀螺儀，用于根據(jù)接收自信號(hào)板5中處理器模塊13的控制指令 采集三軸陀螺儀信號(hào)，并將采集的三軸陀螺儀信號(hào)輸出給信號(hào)板5中處理
器模塊13;
三軸加速度計(jì)，用于根據(jù)接收自信號(hào)板5中處理器模塊13的控制指 令采集三軸加速度計(jì)信號(hào)，并將采集的三軸加速度計(jì)信號(hào)輸出給信號(hào)板5 中處理器模塊13。
上述方案中，所述六軸微慣性傳感器4進(jìn)一步包括溫度補(bǔ)償模塊，
用于對(duì)六軸微慣性傳感器4產(chǎn)生的溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償。
上述方案中，所述信號(hào)板5至少包括
電源管理模塊ll，用于實(shí)現(xiàn)電池管理、功率轉(zhuǎn)換和負(fù)載管理，對(duì)電池
倉(cāng)2中的電池進(jìn)行充電、保護(hù)以及電壓的轉(zhuǎn)換，以滿足不同負(fù)載的需求， 并加以隔離，以防止干擾；
三軸磁場(chǎng)計(jì)模塊12，用于根據(jù)接收自處理器模塊13的控制指令采集 三軸磁場(chǎng)計(jì)信號(hào)，并將采集的三軸磁場(chǎng)計(jì)信號(hào)輸出給處理器模塊13;
處理器模塊13，用于控制六軸微慣性傳感器4采集三軸陀螺儀信號(hào)和 三軸加速度計(jì)信號(hào)，以及控制信號(hào)板5中三軸磁場(chǎng)計(jì)模塊12采集三軸磁 場(chǎng)計(jì)信號(hào)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，然后進(jìn)行捷聯(lián)解算，得到運(yùn)到 運(yùn)動(dòng)載體的姿態(tài)和航向；
通訊模塊14，用于將處理器模塊13計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)載體的姿態(tài)和航向 通過(guò)有線或者無(wú)線的方式進(jìn)行打包傳送。
上述方案中，所述電源管理模塊11采用芯片MAX1874進(jìn)行電池管理。
上述方案中，所述三軸磁場(chǎng)計(jì)模塊12包括
三軸磁阻傳感器，焊接在信號(hào)板5上，用于保證磁阻傳感器的四邊與 信號(hào)板的四邊平行；
信號(hào)差分放大模塊，用于對(duì)三軸磁阻傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行差分 放大處理，將信號(hào)調(diào)理到ADC的輸入范圍內(nèi)輸出給處理器模塊13，供處 理器模塊13進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
上述方案中，所述三軸磁場(chǎng)計(jì)模塊12進(jìn)一步包括置位復(fù)位模塊，用于在磁阻受到強(qiáng)磁場(chǎng)干擾時(shí)，對(duì)磁阻施加一個(gè)瞬態(tài)強(qiáng)脈沖使得磁阻的特 性加以恢復(fù)，完成磁阻傳感器的置位和復(fù)位，防止磁阻傳感器在的薄膜磁 化極性在強(qiáng)磁場(chǎng)中遭到破壞；其中，瞬態(tài)強(qiáng)脈沖包括置位脈沖和復(fù)位脈沖， 置位脈沖使得磁阻元件重新正向排列，復(fù)位脈沖使得磁阻元件重新反向排 列。
上述方案中，所述處理器模塊13包括射頻芯片CC2430及其外圍電路， 以射頻芯片CC2430為處理器，通過(guò)SPI接口完成對(duì)六軸微慣性傳感器4 信號(hào)的采集，通過(guò)ADC模塊完成對(duì)三軸磁場(chǎng)計(jì)信號(hào)的采集，集成了ZigBee 射頻模塊、內(nèi)存和微控制器，以8位MCU 8051為核心，具有128KB FLASH 和8KB RAM,至少包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換ADC模塊、定時(shí)器模塊、看門狗模 塊和DMA控制器。
上述方案中，所述通訊模塊14包括
無(wú)線通訊模塊，用于實(shí)現(xiàn)該裝置與其他系統(tǒng)或者上位機(jī)之間的無(wú)線通
訊；
串口通訊模塊，用于實(shí)現(xiàn)該裝置與上位機(jī)之間的有線通訊，該裝置將 解算之后的數(shù)據(jù)通過(guò)串口上傳至上位機(jī)。
上述方案中，所述無(wú)線通訊模塊采用滿足IEEE 802.15.4的ZigBee無(wú) 線傳輸協(xié)議，該無(wú)線通訊模塊通過(guò)不平衡變壓器單端輸出至不平衡天線， 以保證天線的性能。
上述方案中，所述不平衡天線由電容Cl、電感Ll、 L2、 L3和PCB 傳輸線組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RP輸入/輸出阻抗匹配的要求。
上述方案中，該裝置進(jìn)一步包括定位底板3和外殼1，其中，定位底 板3用于支撐和定位，六軸微慣性傳感器4和信號(hào)板5分別通過(guò)至少一對(duì) 定位銷固定于定位底板3之上；外殼1通過(guò)螺絲孔與定位底板3固定連接 在一起，將整個(gè)裝置封閉。
上述方案中，所述定位底板3由無(wú)鐵磁材料的鋁板加工而成，起支撐 和定位的作用，定位底板3上有兩對(duì)定位銷，其中一對(duì)(8-1，2)用于定位 六軸微慣性傳感器模塊4，另外一對(duì)(9-1,2)用于定位信號(hào)板5，以保證 六軸微慣性傳感器4中的三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和信號(hào)板5中的三軸 磁阻傳感器的X軸、Y軸和Z軸能夠保持平行，降低由于安裝不準(zhǔn)而帶來(lái)的誤差;定位底板3上進(jìn)一步包含用于整個(gè)裝置安裝的定位孔(10-1,2,3,4)， 用于整個(gè)裝置的固定。
上述方案中，所述外殼1由無(wú)鐵磁材料的鋁板加工而成，外殼1上包 含有用于放置天線的天線孔6和用于放MINI-USB接口的USB孔7，其中 天線孔6用于無(wú)線通訊，USB孔7用于串口通訊和外部供電。
上述方案中，所述電池倉(cāng)2位于外殼1和定位底板3之間，放置的電 池為3.7V鋰電池，電池倉(cāng)的后部有彈性裝置，便于電池的取出。
(三)有益效果 從上述方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果
(1) 本發(fā)明采用全MEMS微慣性器件，與傳統(tǒng)的慣性測(cè)量系統(tǒng)相比， 具有精度高、功耗低、體積小、重量輕、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。
(2) 本發(fā)明除提供傳統(tǒng)的三軸轉(zhuǎn)速度、三軸加速度等信息外，還提 供三軸地磁場(chǎng)強(qiáng)度信息，是真正的9軸微慣性測(cè)量系統(tǒng)。
(3) 本發(fā)明所采用的六軸微慣性傳感器模塊是3軸陀螺儀和3軸加 速度計(jì)的集成模塊，既減少了多個(gè)單軸或雙軸微慣性測(cè)量系統(tǒng)在安裝時(shí)由 于無(wú)法保證敏感軸正交帶來(lái)的誤差，又由于能保證陀螺儀和加速度計(jì)兩個(gè) 測(cè)量系統(tǒng)的軸向平行，從而減少兩個(gè)系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的不一致性。
(4) 本發(fā)明所采用的磁場(chǎng)計(jì)是3軸慣性測(cè)量系統(tǒng)，減少了多個(gè)單軸
或雙軸微慣性測(cè)量系統(tǒng)在安裝時(shí)由于無(wú)法保證敏感軸正交帶來(lái)的誤差。
(5) 本發(fā)明除采用傳統(tǒng)的串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊外，還采用了基于ZigBee
技術(shù)的無(wú)線傳輸協(xié)議，便于和別的模塊組成具有多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)線 網(wǎng)絡(luò)，具有傳輸距離遠(yuǎn)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多、便于監(jiān)控等特點(diǎn)。
(6) 由于本發(fā)明的功耗很低，因此可以采用電池供電，增強(qiáng)了系統(tǒng) 的可移動(dòng)性。


圖1為本發(fā)明提供的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置的立 體結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明提供的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置的定位底板結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明提供的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置的六 軸微慣性傳感器模塊與處理器模塊的接口電路示意圖4為本發(fā)明提供的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置的信 號(hào)板結(jié)構(gòu)示意圖5為本發(fā)明提供的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置的電 源管理模塊的電路接口示意圖6為本發(fā)明提供的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置的三 軸磁場(chǎng)計(jì)模塊的電路結(jié)構(gòu)示意圖7為本發(fā)明提供的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置的三 軸磁場(chǎng)計(jì)模塊中置位復(fù)位電路的電路結(jié)構(gòu)示意圖8為本發(fā)明提供的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置的三 軸磁場(chǎng)計(jì)模塊中置位復(fù)位脈沖的時(shí)序圖9為本發(fā)明提供的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置的串 口通訊模塊的電路結(jié)構(gòu)示意圖10為本發(fā)明提供的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置的無(wú) 線通訊模塊的電路結(jié)構(gòu)示意圖11為本發(fā)明提供的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置的系 統(tǒng)程序流程圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí) 施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1和圖2所示，本發(fā)明提供的這種基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微 慣性測(cè)量裝置，至少包括六軸微慣性傳感器4、信號(hào)板5和電池倉(cāng)2。
其中，六軸微慣性傳感器4用于根據(jù)接收自信號(hào)板5中處理器模塊13 的控制指令采集三軸陀螺儀信號(hào)和三軸加速度計(jì)信號(hào)，并將采集的三軸陀 螺儀信號(hào)和三軸加速度計(jì)信號(hào)輸出給信號(hào)板5中處理器模塊13。信號(hào)板5 用于控制六軸微慣性傳感器4采集三軸陀螺儀信號(hào)和三軸加速度計(jì)信號(hào)， 以及控制信號(hào)板5中三軸磁場(chǎng)計(jì)模塊12采集三軸磁場(chǎng)計(jì)信號(hào)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，然后進(jìn)行捷聯(lián)解算，得到運(yùn)到運(yùn)動(dòng)載體的姿態(tài)和航 向。電池倉(cāng)2用于放置為該裝置供電的電池。
另外，該裝置還可以進(jìn)一步包括定位底板3和外殼1。其中，定位底
板3用于支撐和定位，六軸微慣性傳感器4和信號(hào)板5分別通過(guò)至少一對(duì) 定位銷固定于定位底板3之上。外殼1通過(guò)螺絲孔與定位底板3固定連接 在一起，將整個(gè)裝置封閉。
所述定位底板3由無(wú)鐵磁材料的鋁板加工而成，起支撐和定位的作用， 定位底板3上有兩對(duì)定位銷，其中一對(duì)(8-1,2)用于定位六軸微慣性傳感 器模塊4，另外一對(duì)(9-1,2)用于定位信號(hào)板5，以保證兩個(gè)模塊的X軸、 Y軸和Z軸能夠保持平行，降低由于安裝不準(zhǔn)而帶來(lái)的誤差。定位底板3 上還進(jìn)一步包含用于整個(gè)裝置安裝的定位孔(10-1,2,3,4)，用于整個(gè)裝置 的固定。
所述外殼1由無(wú)鐵磁材料的鋁板加工而成，外殼1上包含有用于放置 天線的天線孔6和用于放MINI-USB接口的USB孔7，其中天線孔6用于 無(wú)線通訊，USB孔7用于串口通訊和外部供電。
所述電池倉(cāng)2位于外殼1和定位底板3之間，放置的電池為3.7V鋰 電池，電池倉(cāng)的后部有彈性裝置，便于電池的取出。
如圖3所示，本發(fā)明提供的這種基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè) 量裝置中的六軸微慣性傳感器4通過(guò)SPI接口與信號(hào)板5中處理器模塊13 進(jìn)行通訊，至少包括陀螺儀和加速度計(jì)。
其中，陀螺儀用于根據(jù)接收自信號(hào)板5中處理器模塊13的控制指令 采集三軸陀螺儀信號(hào)，并將采集的三軸陀螺儀信號(hào)輸出給信號(hào)板5中處理 器模塊13。加速度計(jì)用于根據(jù)接收自信號(hào)板5中處理器模塊13的控制指 令采集三軸加速度計(jì)信號(hào)，并將采集的三軸加速度計(jì)信號(hào)輸出給信號(hào)板5 中處理器模塊13。
所述六軸微慣性傳感器4進(jìn)一步包括溫度補(bǔ)償模塊，用于對(duì)六軸微慣 性傳感器4產(chǎn)生的溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償。
由于很難保證安裝時(shí)的軸間正交及同軸平行，傳統(tǒng)的利用單軸或雙軸
的陀螺儀和加速度計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)會(huì)帶來(lái)較大的誤差。本發(fā)明采用美國(guó)AD公司生產(chǎn)的ADIS16350微慣性傳感器作為系統(tǒng)的陀螺儀和加速度計(jì)， ADIS16350是一個(gè)包含3軸陀螺儀和3軸加速度計(jì)的6軸高精度微慣性傳 感器，其中3軸陀螺儀的測(cè)量范圍為±300°/、精度為士0'0"^/s/LSB， 3軸 加速度計(jì)的測(cè)量范圍為WOg，精度為土2'522，/LSB。 ADIS16350通過(guò)SPI 接口與處理器模塊相連，通過(guò)讀取相應(yīng)寄存器可得到三軸陀螺儀和三軸加 速度計(jì)的值。另外，ADIS16350還包含精確的溫度補(bǔ)償模塊，可以對(duì)微慣
性傳感器產(chǎn)生的溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償。
如圖4所示，本發(fā)明提供的這種基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè) 量裝置的信號(hào)板5至少包括電源管理模塊11、三軸磁場(chǎng)計(jì)模塊12、處理 器模塊13和通訊模塊14。
其中，電源管理模塊11用于實(shí)現(xiàn)電池管理、功率轉(zhuǎn)換和負(fù)載管理， 對(duì)電池倉(cāng)2中的電池進(jìn)行充電、保護(hù)以及電壓的轉(zhuǎn)換，以滿足不同負(fù)載的 需求，并加以隔離，以防止干擾。
三軸磁場(chǎng)計(jì)模塊12用于根據(jù)接收自處理器模塊13的控制指令采集三 軸磁場(chǎng)計(jì)信號(hào)，并將采集的三軸磁場(chǎng)計(jì)信號(hào)輸出給處理器模塊13。
處理器模塊13用于控制六軸微慣性傳感器4采集三軸陀螺儀信號(hào)和 三軸加速度計(jì)信號(hào)，以及控制信號(hào)板5中三軸磁場(chǎng)計(jì)模塊12采集三軸磁 場(chǎng)計(jì)信號(hào)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，然后進(jìn)行捷聯(lián)解算，得到運(yùn)到 運(yùn)動(dòng)載體的姿態(tài)和航向。
通訊模塊14，用于將處理器模塊13計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)載體的姿態(tài)和航向 通過(guò)有線或者無(wú)線的方式進(jìn)行打包傳送。
如圖5所示，本發(fā)明提供的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝 置的電源管理模塊11采用芯片MAX1874進(jìn)行電池管理，完成對(duì)電池的充 電和保護(hù)等任務(wù)。MAX1874可以使用USB或電源適配器為單節(jié)鋰電池充 電，它包含一個(gè)完整的雙輸入線性充電器，可以控制電池的充電電壓和充 電電流，以保護(hù)鋰電池。功率轉(zhuǎn)換模塊將一節(jié)鋰電池3.5V-4.2V的輸出電 壓，降壓或者升壓轉(zhuǎn)換成設(shè)備工作所需的+3.3V、 +5丫+12丫電壓，以滿足 不同負(fù)載的需要。其中+3.3V電壓為以射頻芯片CC2430為核心的處理器模塊供電，+5￥電壓為6軸微慣性傳感器和磁場(chǎng)計(jì)模塊供電，十12V電壓
為磁場(chǎng)計(jì)的置位復(fù)位模塊供電。+3.3V和+ 5V電壓的最大供電電流為 150mA， +12￥電壓的最大供電電流為3011^，滿足各種負(fù)載的要求。
如圖6所示，本發(fā)明提供的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝 置的三軸磁場(chǎng)計(jì)模塊12包括三軸磁阻傳感器和信號(hào)差分放大模塊。其中， 三軸磁阻傳感器焊接在信號(hào)板5上，用于保證磁阻傳感器的四邊與信號(hào)板 的四邊平行。信號(hào)差分放大模塊用于對(duì)三軸磁阻傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn) 行差分放大處理，將信號(hào)調(diào)理到ADC的輸入范圍內(nèi)輸出給處理器模塊13， 供處理器模塊13進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
為了避免單軸磁場(chǎng)計(jì)由于安裝精度無(wú)法保證而帶來(lái)的誤差，系統(tǒng)采用 HoneyWeIl公司生產(chǎn)的3軸磁阻傳感器HMC1043。該傳感器的測(cè)量范圍為 -6gaUSS-+6gaUSS，測(cè)量靈敏度為"mV/V/gauss。三軸磁阻傳感器釆用霍尼 韋爾的各向異性磁阻(AMR)技術(shù)組成惠斯通電橋，當(dāng)向電橋供電時(shí)，傳 感器把傳感軸方向的入射磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成差動(dòng)電壓輸出，經(jīng)差動(dòng)放大器將 信號(hào)進(jìn)行放大，并調(diào)理至處理器模塊ADC的采樣范圍內(nèi)。
由于制作工藝的誤差，惠斯通電橋上每個(gè)各向異性磁阻在零磁場(chǎng)下的 電阻也不盡相同，因此在零磁場(chǎng)下，電橋的每半個(gè)電橋的輸出也不盡相同， 有一定的偏置電壓。本發(fā)明中采用軟件的方法來(lái)消除偏置。
系統(tǒng)采用+5V電壓為磁阻傳感器供電，傳感器的靈敏度為 l-OmV/V/gauss，設(shè)地磁場(chǎng)的最大值為0.5gauss，則在最大地磁場(chǎng)下，電橋
的輸出為
<formula>formula see original document page 14</formula>傳感器的電橋偏置為^JmV/V，則電橋的偏置輸出為 F。# =±0.5*5 = ±2.5mV
則電橋輸出的實(shí)際范圍為 巳=±5mV
射頻芯片CC2430中的ADC模塊的采樣范圍為0至2.5V，采樣分辨 率為14位，轉(zhuǎn)換速率為7.6ksps，系統(tǒng)選用的差動(dòng)放大器為AD623,基準(zhǔn)電壓為1.25V，放大倍數(shù)為250 (該放大倍數(shù)按照標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算所得，實(shí)際
情況會(huì)有所調(diào)整)。
如圖7所示，本發(fā)明提供的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝 置的三軸磁場(chǎng)計(jì)模塊12進(jìn)一步包括置位復(fù)位模塊，該置位復(fù)位模塊用于 在磁阻受到強(qiáng)磁場(chǎng)干擾時(shí)，對(duì)磁阻施加一個(gè)瞬態(tài)強(qiáng)脈沖使得磁阻的特性加 以恢復(fù)，完成磁阻傳感器的置位和復(fù)位，防止磁阻傳感器在的薄膜磁化極 性在強(qiáng)磁場(chǎng)中遭到破壞；其中，瞬態(tài)強(qiáng)脈沖包括置位脈沖和復(fù)位脈沖，置 位脈沖使得磁阻元件重新正向排列，復(fù)位脈沖使得磁阻元件重新反向排 列。
在三軸磁場(chǎng)計(jì)模塊12中加入置位復(fù)位模塊是因?yàn)楫?dāng)磁阻受到強(qiáng)磁場(chǎng) 干擾時(shí)，磁阻的磁化極性會(huì)受到破壞，傳感器特性也會(huì)改變，這時(shí)需要對(duì) 磁阻施加一個(gè)瞬態(tài)的強(qiáng)脈沖電流來(lái)使得磁阻的特性加以恢復(fù)。其中，置位 脈沖使得磁阻元件重新正向排列，而復(fù)位脈沖則使得磁阻元件重新反向排 列。置位和復(fù)位脈沖由射頻芯片CC2430產(chǎn)生，其脈沖時(shí)序如圖8所示。 +12V的電壓由電源管理模塊的芯片MAX662A產(chǎn)生，三極管9014與電阻 Rl， R2構(gòu)成反相器。當(dāng)SET脈沖為低電平，RESET脈沖為高電平時(shí)， HEXFET驅(qū)動(dòng)器IRF7106的N通道導(dǎo)通，P通道截至，施加在S/R+端(即 置位復(fù)位帶)的電壓為O。當(dāng)SET脈沖的上升沿到來(lái)時(shí)，IRF7106的P通 道導(dǎo)通，+12V電壓通過(guò)P通道向電容C充電，在S/R+端有幅值為+12V 的脈沖產(chǎn)生，脈沖的寬度取決于C和置位復(fù)位帶的電阻，該脈沖用于磁阻 傳感器的置位。當(dāng)SET脈沖的下降沿到來(lái)時(shí)，IRF7106的N通道導(dǎo)通，P 通道截至，電容C通過(guò)N通道向置位復(fù)位帶放電，在S/R+端有幅值為-12V 的脈沖產(chǎn)生，該脈沖用于磁阻傳感器的復(fù)位。傳感器置位復(fù)位帶的標(biāo)稱電 阻為2.5歐，則置位復(fù)位電流為4.8A。
為了消除偏置電壓，系統(tǒng)采取軟件來(lái)消除偏置。由于傳感器的磁阻元 件在置位和復(fù)位之后的排列方向相反，因此系統(tǒng)在置位脈沖到來(lái)之后進(jìn)行 一次采樣，在復(fù)位脈沖到來(lái)之后再進(jìn)行一次采樣，兩次采樣的結(jié)果相加， 即為偏置電壓的兩倍。
所述處理器模塊13包括射頻芯片CC2430及其外圍電路，以射頻芯片 CC2430為處理器，通過(guò)SPI接口完成對(duì)六軸微慣性傳感器4信號(hào)的采集，通過(guò)ADC模塊完成對(duì)三軸磁場(chǎng)計(jì)信號(hào)的采集，集成了 ZigBee射頻模塊、 內(nèi)存和微控制器，以8位MCU 8051為核心，具有128KB FLASH和8KB RAM,至少包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換ADC模塊、定時(shí)器模塊、看門狗模塊和 DMA控制器等。本發(fā)明提供的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置， 利用該處理器完成三軸陀螺儀信號(hào)、三軸加速度計(jì)信號(hào)以及三軸磁場(chǎng)計(jì)信 號(hào)的采集，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后進(jìn)行捷聯(lián)解算，以得到運(yùn)到運(yùn) 動(dòng)載體的姿態(tài)和航向。
所述通訊模塊14包括無(wú)線通訊模塊和串口通訊模塊。其中，無(wú)線通 訊模塊，用于實(shí)現(xiàn)該裝置與其他系統(tǒng)或者上位機(jī)之間的無(wú)線通訊。串口通 訊模塊，用于實(shí)現(xiàn)該裝置與上位機(jī)之間的有線通訊，該裝置將解算之后的 數(shù)據(jù)通過(guò)串口上傳至上位機(jī)。串口通訊模塊的結(jié)構(gòu)和功能如圖9所示。
如圖IO所示，本發(fā)明的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置的 無(wú)線通訊模塊采用滿足正EE 802.15.4的ZigBee無(wú)線傳輸協(xié)議，利用該協(xié) 議，系統(tǒng)可以與別的模塊組成網(wǎng)狀或串狀網(wǎng)絡(luò)等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳輸 速率為250kbps，傳輸距離為百米左右。該無(wú)線通訊模塊通過(guò)不平衡變壓 器單端輸出至不平衡天線，以保證天線的性能，不平衡天線由電容C1、 電感L1、 L2、 L3和PCB傳輸線組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出阻抗匹 配的要求。
如圖ll所示，本發(fā)明的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置的 主程序流程。為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)采用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集， 當(dāng)相應(yīng)的中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)中斷應(yīng)答，并在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行數(shù)據(jù) 采集或數(shù)據(jù)傳送。主程序主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理的工作。數(shù)據(jù)處理主要分為數(shù) 據(jù)濾波和捷聯(lián)解算。其中數(shù)據(jù)濾波分為兩部分，第一部分是限幅濾波，用 于剔除因偶然因素引起的脈沖干擾，第二部分是滑動(dòng)濾波，用于抑制周期 性的干擾，并進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑。濾波之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行捷聯(lián)解算，得到運(yùn)動(dòng)載 體的姿態(tài)和航向，并將此數(shù)據(jù)加以保存，并進(jìn)行下一次的主程序計(jì)算。
以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行 了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而 已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修 改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置，其特征在于，該裝置至少包括六軸微慣性傳感器(4)，用于根據(jù)接收自信號(hào)板(5)中處理器模塊(13)的控制指令采集三軸陀螺儀信號(hào)和三軸加速度計(jì)信號(hào)，并將采集的三軸陀螺儀信號(hào)和三軸加速度計(jì)信號(hào)輸出給信號(hào)板(5)中處理器模塊(13)；信號(hào)板(5)，用于控制六軸微慣性傳感器(4)采集三軸陀螺儀信號(hào)和三軸加速度計(jì)信號(hào)，以及控制信號(hào)板(5)中三軸磁場(chǎng)計(jì)模塊(12)采集三軸磁場(chǎng)計(jì)信號(hào)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，然后進(jìn)行捷聯(lián)解算，得到運(yùn)到運(yùn)動(dòng)載體的姿態(tài)和航向；以及電池倉(cāng)(2)，用于放置為該裝置供電的電池。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置， 其特征在于，所述六軸微慣性傳感器(4)通過(guò)SPI接口與信號(hào)板(5)中 處理器模塊(13)進(jìn)行通訊，至少包括三軸陀螺儀，用于根據(jù)接收自信號(hào)板(5)中處理器模塊(13)的控 制指令采集三軸陀螺儀信號(hào)，并將采集的三軸陀螺儀信號(hào)輸出給信號(hào)板 (5)中處理器模塊(13);三軸加速度計(jì)，用于根據(jù)接收自信號(hào)板(5)中處理器模塊(13)的 控制指令采集三軸加速度計(jì)信號(hào)，并將采集的三軸加速度計(jì)信號(hào)輸出給信 號(hào)板(5)中處理器模塊(13)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置， 其特征在于，所述六軸微慣性傳感器(4)進(jìn)一步包括溫度補(bǔ)償模塊，用于對(duì)六軸微慣性傳感器(4)產(chǎn)生的溫度漂移進(jìn)行 補(bǔ)償。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置， 其特征在于，所述信號(hào)板(5)至少包括電源管理模塊(11)，用于實(shí)現(xiàn)電池管理、功率轉(zhuǎn)換和負(fù)載管理，對(duì) 電池倉(cāng)(2)中的電池進(jìn)行充電、保護(hù)以及電壓的轉(zhuǎn)換，以滿足不同負(fù)載的需求，并加以隔離，以防止干擾；三軸磁場(chǎng)計(jì)模塊(12)，用于根據(jù)接收自處理器模塊(13)的控制指 令采集三軸磁場(chǎng)計(jì)信號(hào)，并將釆集的三軸磁場(chǎng)計(jì)信號(hào)輸出給處理器模塊 (13);處理器模塊(13)，用于控制六軸微慣性傳感器(4)采集三軸陀螺儀 信號(hào)和三軸加速度計(jì)信號(hào)，以及控制信號(hào)板(5)中三軸磁場(chǎng)計(jì)模塊(12) 采集三軸磁場(chǎng)計(jì)信號(hào)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，然后進(jìn)行捷聯(lián)解算， 得到運(yùn)到運(yùn)動(dòng)載體的姿態(tài)和航向；通訊模塊(14)，用于將處理器模塊(13)計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)載體的姿態(tài) 和航向通過(guò)有線或者無(wú)線的方式進(jìn)行打包傳送。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置， 其特征在于，所述電源管理模塊(11)采用芯片MAX1874進(jìn)行電池管理。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置， 其特征在于，所述三軸磁場(chǎng)計(jì)模塊(12)包括三軸磁阻傳感器，焊接在信號(hào)板(5)上，用于保證磁阻傳感器的四 邊與信號(hào)板的四邊平行；信號(hào)差分放大模塊，用于對(duì)三軸磁阻傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行差分 放大處理，將信號(hào)調(diào)理到ADC的輸入范圍內(nèi)輸出給處理器模塊(13)，供 處理器模塊(13)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置， 其特征在于，所述三軸磁場(chǎng)計(jì)模塊(12)進(jìn)一步包括置位復(fù)位模塊，用于在磁阻受到強(qiáng)磁場(chǎng)干擾時(shí)，對(duì)磁阻施加一個(gè)瞬態(tài) 強(qiáng)脈沖使得磁阻的特性加以恢復(fù)，完成磁阻傳感器的置位和復(fù)位，防止磁 阻傳感器在的薄膜磁化極性在強(qiáng)磁場(chǎng)中遭到破壞；其中，瞬態(tài)強(qiáng)脈沖包括 置位脈沖和復(fù)位脈沖，置位脈沖使得磁阻元件重新正向排列，復(fù)位脈沖使 得磁阻元件重新反向排列。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置， 其特征在于，所述處理器模塊(13)包括射頻芯片CC2430及其外圍電路， 以射頻芯片CC2430為處理器，通過(guò)SPI接口完成對(duì)六軸微慣性傳感器(4) 信號(hào)的采集，通過(guò)ADC模塊完成對(duì)三軸磁場(chǎng)計(jì)信號(hào)的采集，集成了 ZigBee射頻模塊、內(nèi)存和微控制器，以8位MCU 8051為核心，具有128KB FLASH 和8KB RAM,至少包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換ADC模塊、定時(shí)器模塊、看門狗模 塊和DMA控制器。
9、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置， 其特征在于，所述通訊模塊(14)包括無(wú)線通訊模塊，用于實(shí)現(xiàn)該裝置與其他系統(tǒng)或者上位機(jī)之間的無(wú)線通訊；串口通訊模塊，用于實(shí)現(xiàn)該裝置與上位機(jī)之間的有線通訊，該裝置將 解算之后的數(shù)據(jù)通過(guò)串口上傳至上位機(jī)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝 置，其特征在于，所述無(wú)線通訊模塊采用滿足正EE 802.15.4的ZigBee無(wú) 線傳輸協(xié)議，該無(wú)線通訊模塊通過(guò)不平衡變壓器單端輸出至不平衡天線， 以保證天線的性能。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝 置，其特征在于，所述不平衡天線由電容Cl、電感L1、 L2、 L3禾n PCB 傳輸線組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出阻抗匹配的要求。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝 置，其特征在于，該裝置進(jìn)一步包括定位底板(3)和外殼(1)，其中， 定位底板(3)用于支撐和定位，六軸微慣性傳感器(4)和信號(hào)板(5) 分別通過(guò)至少一對(duì)定位銷固定于定位底板(3)之上；外殼(1)通過(guò)螺絲 孔與定位底板(3)固定連接在一起，將整個(gè)裝置封閉。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝 置，其特征在于，所述定位底板(3)由無(wú)鐵磁材料的鋁板加工而成，起 支撐和定位的作用，定位底板(3)上有兩對(duì)定位銷，其中一對(duì)(8-1,2) 用于定位六軸微慣性傳感器模塊(4)，另外一對(duì)(9-1,2)用于定位信號(hào)板(5)，以保證六軸微慣性傳感器(4)中的三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和 信號(hào)板(5)中的三軸磁阻傳感器的X軸、Y軸和Z軸能夠保持平行，降 低由于安裝不準(zhǔn)而帶來(lái)的誤差；定位底板(3)上進(jìn)一步包含用于整個(gè)裝 置安裝的定位孔(10-1，2，3,4)，用于整個(gè)裝置的固定。
14、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置，其特征在于，所述外殼(1)由無(wú)鐵磁材料的鋁板加工而成，外殼(1)上包含有用于放置天線的天線孔(6)和用于放MINI-USB接口的USB孔 (7)，其中天線孔(6)用于無(wú)線通訊，USB孔(7)用于串口通訊和外部 供電。
15、根據(jù)權(quán)利要求12所述的基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝 置，其特征在于，所述電池倉(cāng)(2)位于外殼(1)和定位底板(3)之間， 放置的電池為3.7V鋰電池，電池倉(cāng)的后部有彈性裝置，便于電池的取出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置，至少包括六軸微慣性傳感器，用于根據(jù)接收自信號(hào)板中處理器模塊的控制指令采集三軸陀螺儀信號(hào)和三軸加速度計(jì)信號(hào)，并將采集的三軸陀螺儀信號(hào)和三軸加速度計(jì)信號(hào)輸出給信號(hào)板中處理器模塊；信號(hào)板，用于控制六軸微慣性傳感器采集三軸陀螺儀信號(hào)和三軸加速度計(jì)信號(hào)，以及控制信號(hào)板中三軸磁場(chǎng)計(jì)模塊采集三軸磁場(chǎng)計(jì)信號(hào)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，然后進(jìn)行捷聯(lián)解算，得到運(yùn)到運(yùn)動(dòng)載體的姿態(tài)和航向；以及電池倉(cāng)，用于放置為該裝置供電的電池。本發(fā)明基于ZigBee無(wú)線單片機(jī)的微慣性測(cè)量裝置，具有精度高、功耗低、體積小、重量輕、實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)，且具有遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸功能。
文檔編號(hào)G01C21/18GK101598555SQ20081011439
公開日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2008年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月4日
發(fā)明者李劍鋒, 杜清秀 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所