簡易陀螺儀慣性制導系統(tǒng)設計

引言

慣性導航系統(tǒng)是一門涉及精密機械、計算機技術、微電子、 光學、自動控制、材料等多種學科和領域的綜合技術叫應 用需求的增長是導航技術拓展新方向的源動力，現(xiàn)代科技的 蓬勃發(fā)展支撐著慣性傳感器技術的不斷進步，推動著慣性導 航技術應用于更寬廣的領域。而陀螺儀作為一種重要的慣性 敏感器，是構成INS (Inertial Navigation System)的基礎核心 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，以慣性導航為基礎的組合導航 系統(tǒng)將成為未來導航系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。

1陀螺慣性制導的發(fā)展趨勢

在慣性制導系統(tǒng)中，利用激光來作為方位測向器的陀螺 逐漸取代傳統(tǒng)的機械陀螺已是大勢所趨，目前世界上許多國家 都在研制激光陀螺，美國的霍尼威爾、利頓、斯佩里等公司 均已取得明顯成績。對于不同的軍事需求，可應用不同精度的 陀螺叫例如:用于戰(zhàn)略導彈、空間飛行器、自主式潛艇導航、 高能激光武器的瞄準、跟蹤等，需要漂移角速度小于0.5。/h 的高度慣性陀螺；用于測定空中、地面、海上平臺的導航系統(tǒng) 和姿態(tài)基準系統(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；隨著不同關鍵理論和技術突破的先后 不同，發(fā)揮日益顯著的作用。

2系統(tǒng)設計

2.1系統(tǒng)組成與結構

本系統(tǒng)由MPU-6050三軸陀螺儀角加速度傳感器，單片 機，放大驅動模塊構成。其中，MPU-6050三軸陀螺儀角加速 度傳感器用于測出模型直升機偏離原來航向的角速度，它的信 號由單片機模塊采集，再由單片機中的算法程序將直升機偏離

收稿日期:2014-08-23 正常軌道的角速度轉換角度，然后將輸出信號用放大驅動模 塊放大，產生能夠驅動電機的左控或右控信號。當信號為左 控信號時，右螺旋槳轉動；當信號為右控信號信號時，左螺 旋槳轉動，從而實現(xiàn)直升機航向的實時調整。系統(tǒng)設計框圖 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, 用于測出模型直升飛機偏離原來航向的角速度。MPU-6000為 全球首例整合性6軸運動處理組件，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范圍為±250、±500、±1 000 與±2 000 ° /sec (dps)，可準確追蹤快速與慢速動作。產品 傳輸可透過最高至400 kHz的I2C或最高達20 MHz的SPI， 在導航系統(tǒng)中擁有明顯的優(yōu)勢。

2.1.2單片機模塊

系統(tǒng)中單片機采用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存儲器。它使用經典的MCS-51內核，但是做了很 多的改進使得該芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。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，低成本的應用。

2.2電路設計

2.2.1單片機電路

該模塊通過積分程序，將直升機偏離原來航向的角速度 轉換為角度。從而驅動電機轉動，調整飛機的航向。

該模塊的硬件部分主要由單片機最小系統(tǒng)構成，其中晶 體振蕩器是由一個晶振和兩個瓷片電容組成的，它是單片機系 統(tǒng)正常工作的保證；單片機的RST端口連接復位電路。它的 作用是將單片機內部各電路的狀態(tài)恢復到一個確定的初始值, 并從這個狀態(tài)開始工作。VCC端口連接供電電路，單片機控 制電路如圖2所示。

STC89C52的P1.0和P1.1端口與放大驅動模塊的輸入端 相連，用來接收單片機傳輸?shù)男盘?。但是單片機模塊的輸出 電流大約為10 mA，不足以驅動電機，使螺旋槳轉動，因此, 需要用放大驅動模塊將輸出電流放大。放大驅動模塊的電路 原理圖如圖3所示，此電路是根據(jù)H橋式電機驅動電路改進 而來。其中，4個與門同一個“使能”導通信號相接，這樣, 用這一個信號就能控制整個電路的開關。而2個非門通過提 供一種方向輸人，可以保證任何時候在H橋的同側上都只有 一個三極管導通。電機的運轉就只需要用三個信號控制：兩個 方向信號和一個使能信號。如果DIR — L信號為0, DIR — R 信號為1，并且使能信號是1，那么三極管Q和Q4導通，電 流從左至右流經電機；如果DIR — L信號變?yōu)?，而DIR — R信號變?yōu)?,那么Q2和Q3將導通，電流則反向流過電機。

2.3軟件算法設計

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 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積分時間 段，具體時間需要根據(jù)單片機執(zhí)行代碼速率進行調整，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)轉換數(shù)據(jù)存儲在2個字 節(jié)中，需要進行數(shù)據(jù)合成，合成后方可加入到核心算法中運行, 代碼程序如下：

積分算法執(zhí)行完成之后，根據(jù)運算結果，改變單片機輸 出端口狀態(tài)，實現(xiàn)舵機控制，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結語

系統(tǒng)設計完成后，經過測試基本能夠實現(xiàn)對模型直升機 的航向控制，實現(xiàn)了簡易陀螺儀慣性制導系統(tǒng)的設計。結果證 明，陀螺儀是一種能精確地確定運動物體的方位的儀器，它 是現(xiàn)代航空，航海，航天和國防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導 航儀器。在慣性制導中，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，已成為了飛行設備中 關鍵的部件，今后也會更多的應用在飛行器的自主控制系統(tǒng)上。

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