簡(jiǎn)易陀螺儀慣性制導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一門涉及精密機(jī)械、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子、 光學(xué)、自動(dòng)控制、材料等多種學(xué)科和領(lǐng)域的綜合技術(shù)叫應(yīng) 用需求的增長(zhǎng)是導(dǎo)航技術(shù)拓展新方向的源動(dòng)力，現(xiàn)代科技的 蓬勃發(fā)展支撐著慣性傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，推動(dòng)著慣性導(dǎo) 航技術(shù)應(yīng)用于更寬廣的領(lǐng)域。而陀螺儀作為一種重要的慣性 敏感器，是構(gòu)成INS (Inertial Navigation System)的基礎(chǔ)核心 器件,INS的性能在很大程度上取決于陀螺儀的性能。因此, 隨著陀螺儀等慣性器件的完善，以慣性導(dǎo)航為基礎(chǔ)的組合導(dǎo)航 系統(tǒng)將成為未來導(dǎo)航系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。

1陀螺慣性制導(dǎo)的發(fā)展趨勢(shì)

在慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中，利用激光來作為方位測(cè)向器的陀螺 逐漸取代傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺已是大勢(shì)所趨，目前世界上許多國(guó)家 都在研制激光陀螺，美國(guó)的霍尼威爾、利頓、斯佩里等公司 均已取得明顯成績(jī)。對(duì)于不同的軍事需求，可應(yīng)用不同精度的 陀螺叫例如:用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈、空間飛行器、自主式潛艇導(dǎo)航、 高能激光武器的瞄準(zhǔn)、跟蹤等，需要漂移角速度小于0.5。/h 的高度慣性陀螺；用于測(cè)定空中、地面、海上平臺(tái)的導(dǎo)航系統(tǒng) 和姿態(tài)基準(zhǔn)系統(tǒng)等，則需要漂移角速率0.001 5?0.5 °/h的 中等精度的慣性陀螺；隨著不同關(guān)鍵理論和技術(shù)突破的先后 不同，發(fā)揮日益顯著的作用。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由MPU-6050三軸陀螺儀角加速度傳感器，單片 機(jī)，放大驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成。其中，MPU-6050三軸陀螺儀角加速 度傳感器用于測(cè)出模型直升機(jī)偏離原來航向的角速度，它的信 號(hào)由單片機(jī)模塊采集，再由單片機(jī)中的算法程序?qū)⒅鄙龣C(jī)偏離

收稿日期:2014-08-23 正常軌道的角速度轉(zhuǎn)換角度，然后將輸出信號(hào)用放大驅(qū)動(dòng)模 塊放大，產(chǎn)生能夠驅(qū)動(dòng)電機(jī)的左控或右控信號(hào)。當(dāng)信號(hào)為左 控信號(hào)時(shí)，右螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)信號(hào)為右控信號(hào)信號(hào)時(shí)，左螺 旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)直升機(jī)航向的實(shí)時(shí)調(diào)整。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 如圖1所示。

2.1.1傳感器模塊

傳感器模塊使用MPU-6050三軸陀螺儀角加速度傳感器, 用于測(cè)出模型直升飛機(jī)偏離原來航向的角速度。MPU-6000為 全球首例整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，相較于多組件方案，減 少了大量的包裝空間。MPU-6000整合了 3軸陀螺儀、3軸 加速器。它的角速度全格感測(cè)范圍為±250、±500、±1 000 與±2 000 ° /sec (dps)，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作。產(chǎn)品 傳輸可透過最高至400 kHz的I2C或最高達(dá)20 MHz的SPI， 在導(dǎo)航系統(tǒng)中擁有明顯的優(yōu)勢(shì)。

2.1.2單片機(jī)模塊

系統(tǒng)中單片機(jī)采用STC公司的STC89C52。它是一種低 功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 KB在系統(tǒng)可編 程Flash存儲(chǔ)器。它使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但是做了很 多的改進(jìn)使得該芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單 芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的 解決方案。非常適合低功耗，低成本的應(yīng)用。

2.2電路設(shè)計(jì)

2.2.1單片機(jī)電路

該模塊通過積分程序，將直升機(jī)偏離原來航向的角速度 轉(zhuǎn)換為角度。從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整飛機(jī)的航向。

該模塊的硬件部分主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成，其中晶 體振蕩器是由一個(gè)晶振和兩個(gè)瓷片電容組成的，它是單片機(jī)系 統(tǒng)正常工作的保證；單片機(jī)的RST端口連接復(fù)位電路。它的 作用是將單片機(jī)內(nèi)部各電路的狀態(tài)恢復(fù)到一個(gè)確定的初始值, 并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。VCC端口連接供電電路，單片機(jī)控 制電路如圖2所示。

STC89C52的P1.0和P1.1端口與放大驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端 相連，用來接收單片機(jī)傳輸?shù)男盘?hào)。但是單片機(jī)模塊的輸出 電流大約為10 mA，不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，因此, 需要用放大驅(qū)動(dòng)模塊將輸出電流放大。放大驅(qū)動(dòng)模塊的電路 原理圖如圖3所示，此電路是根據(jù)H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路改進(jìn) 而來。其中，4個(gè)與門同一個(gè)“使能”導(dǎo)通信號(hào)相接，這樣, 用這一個(gè)信號(hào)就能控制整個(gè)電路的開關(guān)。而2個(gè)非門通過提 供一種方向輸人，可以保證任何時(shí)候在H橋的同側(cè)上都只有 一個(gè)三極管導(dǎo)通。電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)就只需要用三個(gè)信號(hào)控制：兩個(gè) 方向信號(hào)和一個(gè)使能信號(hào)。如果DIR — L信號(hào)為0, DIR — R 信號(hào)為1，并且使能信號(hào)是1，那么三極管Q和Q4導(dǎo)通，電 流從左至右流經(jīng)電機(jī)；如果DIR — L信號(hào)變?yōu)?，而DIR — R信號(hào)變?yōu)?,那么Q2和Q3將導(dǎo)通，電流則反向流過電機(jī)。

2.3軟件算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)核心程序主要是角速度化為角度的積分算法程序構(gòu) 成，積分算法核心代碼如下：

k=k+ ((GetData (GYRO_ZOUT_H) /16.4) *dtt) /1 000

變量k初值為0,代表積分后的角度，變量dtt積分時(shí)間 段，具體時(shí)間需要根據(jù)單片機(jī)執(zhí)行代碼速率進(jìn)行調(diào)整，系統(tǒng) 里的值為10。函數(shù)GetData (GYRO_ZOUT_H)為獲取傳感 器Z軸角速度的功能函數(shù)。

在mpu-6050模塊中，16位模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在2個(gè)字 節(jié)中，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)合成，合成后方可加入到核心算法中運(yùn)行, 代碼程序如下：

積分算法執(zhí)行完成之后，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，改變單片機(jī)輸 出端口狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)控制，代碼程序如下：

k=k+((GetData (GYRO_ZOUT_H) /16.4) *dtt) /1000 ；

if (k>0) {zheng=1 ；

fu=0 ； }

else{zheng=0 ； fu=1 ； }

delay( 100)；

}

3結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過測(cè)試基本能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)模型直升機(jī) 的航向控制，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易陀螺儀慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。結(jié)果證 明，陀螺儀是一種能精確地確定運(yùn)動(dòng)物體的方位的儀器，它 是現(xiàn)代航空，航海，航天和國(guó)防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo) 航儀器。在慣性制導(dǎo)中，陀螺儀是控制武器飛行姿態(tài)的重要 部件，正由于它的平衡和空間定向特性，已成為了飛行設(shè)備中 關(guān)鍵的部件，今后也會(huì)更多的應(yīng)用在飛行器的自主控制系統(tǒng)上。

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