ELECTRONICS WORLD・探索与观察
MEMS三轴加速度传感器在飞行器姿态测量系统中的应用
中国船舶重工集团公司第七一〇研究所 何 苗 陈金花
【摘要】介绍了一种基于MEMS三轴加速度传感器和STM32处理器的飞行器姿态测量系统，阐述了倾角测量原理、系统的硬件电路设计和软件设计，并介绍了加速度传感器MMA7455的校准方法。【关键词】MEMS；三轴加速度传感器；飞行器；姿态测量
0 引言
在飞行器的姿态控制过程中，获得准确的飞行姿态信息是后续对飞行器进行精确控制的重要条件。而飞行姿态信息的获取主要是依靠加速度传感器、陀螺仪等各种传感器，本文介绍的姿态控制系统采用的是一种MEMS(微机电系统)三轴加速度传感器，通过传感器测量得到加速度数据，再根据得到的数据进行计算就可以得到飞行器的姿态角信息。
1 基本原理
在地球上任何位置的物体都受到重力的作用而产生一个加速度，加速度传感器可以用来测定变化或恒定的加速度。把三轴加速度传感器固定到物体上，当物体姿态改变时，加速度传感器的敏感轴相对于重力场发生变化，加速度传感器的敏感轴输出重力在其相应方向产生的重力分量信号。在静止状态下，3个轴向的输出值为重力加速度分别在3个轴向的分量，输出值的大小与3个轴
向跟竖直方向的夹角有关。测量原理如图1所示。
图1 倾斜角测量原理
在图1中，g 为重力加速度方向，它与加速度传感器
敏感轴之间的夹角为，加速度传感器在敏感轴方向测得
的加速度值实际就是重力加速度在该方向上的分量，大
小为：
(1)
则该物体的倾斜角的大小为：
(2)
2 系统框图
基于MEMS 加速度传感器的姿态测量系统组成框图
如图2所示，图中MMA7455是一种MEMS 三轴加速度传感器，传感器数据通过SPI 接口发送到STM32处理器进行解算，解算后的姿态角信息通过串行通信接口电路发送到飞控计算机，飞控计算机再根据收到的姿态角信息决
策是否要控制舵机动作以进行姿态调整。
图2 姿态测量系统组成框图
3 硬件设计
STM32处理器模块是姿态测量系统中的核心部分，它负责读取加速度传感器MMA7455采集到的加速度信息，并将其组织成一定格式的报文，通过串行接口电路发送到飞控计算机。这里采用的处理器型号是STM32F103RBT6，该处理器具有128 KB Flash、20 KB SRAM、2个SPI 、3个串口、1个USB 、1个CAN 、2个12位ADC(16通道) 、RTC 、
DMA 、4个16位定时器、51个可用的IO 口等。
MMA7455是一种低电压供电、容性微机电加速度传
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ELECTRONICS WORLD・探索与观察
感器，具有三轴测量功能，可以测量物体的运动、自由落体、振动、摆动以及倾斜状态。
MMA7455采用I 2C 或SPI 接口进行数据的数字信号输出。相对于传统的模拟信号输出加速度传感器而言，数字输出的MMA7455将A/D转换放在其芯片内部完成，所以与其连接的微处理器不需具备A/D功能模块。MMA7455的引脚定义及周边电路如图3
所示。
图3 加速度传感器MMA7455及其周边电路
4 软件设计
姿态检测系统的软件由测量模式程序和校准模式程序两部分组成。 4.1 测量模式程序
进入主程序后首先进行系统初始化，包括SPI口和串行口以及定时器的的初始化等。初始化完成后，向模式控制寄存器(地址为$16)写入0x05，设置MMA7455为测量模式，测量量程为2g。写入后再读取该寄存器的值，若读出结果为0x05，表示MMA7455和STM32处理器的通讯正常，且模式及量程设置成功。若读出结果不正确，说明通讯故障，重新进行写入和读取，3次读取都不正确则点亮故障灯，提示用户存在硬件故障。
STM32与MMA7455通信成功后，开始判断校准开关的状态，若校准开关断开，则进入测量模式。处理器从外部flash读出MMA7455的偏移校准值信息，并通过SPI接口将每个轴的偏移校准值写入相应的偏移量寄存器。4.2 校准模式程序
由于MEMS传感器在焊接时其内部的微机械结构受到热应力影响，有可能会产生变形，且在焊接过程中不能保证其绝对位置，会产生偏移，导致传感器的X 、Y 、Z 轴和飞行器的对应轴不平行，所以必须对MEMS加速度传感器进行校准。
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根据MMA7455的应用笔记，该传感器可以采用以下方法进行校准消除0G偏移误差：将焊装有MEMS传感器的印制板放置在水平位置(焊接面朝下，芯片与地面水平的状态)，接通加速度测试系统中的校准开关，STM32会进入校准模式程序，读取水平状态下3个轴的输出寄存器数值，将每个轴加速度寄存器的读数乘以2，再取相反数，得到需要写入到flash的校准值，并进行写入，写入完成后点亮印制板上的指示灯，断开校准开关，断电。
5 测试结果
将姿态测量系统放在转台上进行测试，实时显示姿态测量系统的角度测量值，并与转台的实际角度进行比对，试验结果见表1。
表1 姿态测量系统俯仰角测量值与理论值角度对比表
编号理论值θ(度)
X (g)Y (g)Z (g)输出值θ(度)
1
000.250.950.2210-0.150.250.9410.1320-0.3300.9319.84
30-0.490.220.8130.35
40
-0.68
0.19
0.72
39.8
6 结束语
试验结果表明，该姿态测量系统具有较高的分辨率，完全可以满足飞行器姿态控制的需求。且该系统能够根据需要在测量模式和校准模式之间进行切换，在批量生产时能保证加速度传感器输出的一致性。
参考文献
[1]AN3468,The MMA745xL Digital Accelerometer Application Note,Rev 1,05/2009.
[2]王占平,唐小宏等.基于MEMS加速度计的飞行器姿态事吧技术研究[J].压电与声光,2007,4:224-226.
[3]王嘉力,姜力,刘宏.基于三轴加速度计的多维力传感器静态自校正[J].仪器仪表学报,2008,29(2):432-435.
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MEMS三轴加速度传感器在飞行器姿态测量系统中的应用
中国船舶重工集团公司第七一〇研究所 何 苗 陈金花
【摘要】介绍了一种基于MEMS三轴加速度传感器和STM32处理器的飞行器姿态测量系统，阐述了倾角测量原理、系统的硬件电路设计和软件设计，并介绍了加速度传感器MMA7455的校准方法。【关键词】MEMS；三轴加速度传感器；飞行器；姿态测量
0 引言
在飞行器的姿态控制过程中，获得准确的飞行姿态信息是后续对飞行器进行精确控制的重要条件。而飞行姿态信息的获取主要是依靠加速度传感器、陀螺仪等各种传感器，本文介绍的姿态控制系统采用的是一种MEMS(微机电系统)三轴加速度传感器，通过传感器测量得到加速度数据，再根据得到的数据进行计算就可以得到飞行器的姿态角信息。
1 基本原理
在地球上任何位置的物体都受到重力的作用而产生一个加速度，加速度传感器可以用来测定变化或恒定的加速度。把三轴加速度传感器固定到物体上，当物体姿态改变时，加速度传感器的敏感轴相对于重力场发生变化，加速度传感器的敏感轴输出重力在其相应方向产生的重力分量信号。在静止状态下，3个轴向的输出值为重力加速度分别在3个轴向的分量，输出值的大小与3个轴
向跟竖直方向的夹角有关。测量原理如图1所示。
图1 倾斜角测量原理
在图1中，g 为重力加速度方向，它与加速度传感器
敏感轴之间的夹角为，加速度传感器在敏感轴方向测得
的加速度值实际就是重力加速度在该方向上的分量，大
小为：
(1)
则该物体的倾斜角的大小为：
(2)
2 系统框图
基于MEMS 加速度传感器的姿态测量系统组成框图
如图2所示，图中MMA7455是一种MEMS 三轴加速度传感器，传感器数据通过SPI 接口发送到STM32处理器进行解算，解算后的姿态角信息通过串行通信接口电路发送到飞控计算机，飞控计算机再根据收到的姿态角信息决
策是否要控制舵机动作以进行姿态调整。
图2 姿态测量系统组成框图
3 硬件设计
STM32处理器模块是姿态测量系统中的核心部分，它负责读取加速度传感器MMA7455采集到的加速度信息，并将其组织成一定格式的报文，通过串行接口电路发送到飞控计算机。这里采用的处理器型号是STM32F103RBT6，该处理器具有128 KB Flash、20 KB SRAM、2个SPI 、3个串口、1个USB 、1个CAN 、2个12位ADC(16通道) 、RTC 、
DMA 、4个16位定时器、51个可用的IO 口等。
MMA7455是一种低电压供电、容性微机电加速度传
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感器，具有三轴测量功能，可以测量物体的运动、自由落体、振动、摆动以及倾斜状态。
MMA7455采用I 2C 或SPI 接口进行数据的数字信号输出。相对于传统的模拟信号输出加速度传感器而言，数字输出的MMA7455将A/D转换放在其芯片内部完成，所以与其连接的微处理器不需具备A/D功能模块。MMA7455的引脚定义及周边电路如图3
所示。
图3 加速度传感器MMA7455及其周边电路
4 软件设计
姿态检测系统的软件由测量模式程序和校准模式程序两部分组成。 4.1 测量模式程序
进入主程序后首先进行系统初始化，包括SPI口和串行口以及定时器的的初始化等。初始化完成后，向模式控制寄存器(地址为$16)写入0x05，设置MMA7455为测量模式，测量量程为2g。写入后再读取该寄存器的值，若读出结果为0x05，表示MMA7455和STM32处理器的通讯正常，且模式及量程设置成功。若读出结果不正确，说明通讯故障，重新进行写入和读取，3次读取都不正确则点亮故障灯，提示用户存在硬件故障。
STM32与MMA7455通信成功后，开始判断校准开关的状态，若校准开关断开，则进入测量模式。处理器从外部flash读出MMA7455的偏移校准值信息，并通过SPI接口将每个轴的偏移校准值写入相应的偏移量寄存器。4.2 校准模式程序
由于MEMS传感器在焊接时其内部的微机械结构受到热应力影响，有可能会产生变形，且在焊接过程中不能保证其绝对位置，会产生偏移，导致传感器的X 、Y 、Z 轴和飞行器的对应轴不平行，所以必须对MEMS加速度传感器进行校准。
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根据MMA7455的应用笔记，该传感器可以采用以下方法进行校准消除0G偏移误差：将焊装有MEMS传感器的印制板放置在水平位置(焊接面朝下，芯片与地面水平的状态)，接通加速度测试系统中的校准开关，STM32会进入校准模式程序，读取水平状态下3个轴的输出寄存器数值，将每个轴加速度寄存器的读数乘以2，再取相反数，得到需要写入到flash的校准值，并进行写入，写入完成后点亮印制板上的指示灯，断开校准开关，断电。
5 测试结果
将姿态测量系统放在转台上进行测试，实时显示姿态测量系统的角度测量值，并与转台的实际角度进行比对，试验结果见表1。
表1 姿态测量系统俯仰角测量值与理论值角度对比表
编号理论值θ(度)
X (g)Y (g)Z (g)输出值θ(度)
1
000.250.950.2210-0.150.250.9410.1320-0.3300.9319.84
30-0.490.220.8130.35
40
-0.68
0.19
0.72
39.8
6 结束语
试验结果表明，该姿态测量系统具有较高的分辨率，完全可以满足飞行器姿态控制的需求。且该系统能够根据需要在测量模式和校准模式之间进行切换，在批量生产时能保证加速度传感器输出的一致性。
参考文献
[1]AN3468,The MMA745xL Digital Accelerometer Application Note,Rev 1,05/2009.
[2]王占平,唐小宏等.基于MEMS加速度计的飞行器姿态事吧技术研究[J].压电与声光,2007,4:224-226.
[3]王嘉力,姜力,刘宏.基于三轴加速度计的多维力传感器静态自校正[J].仪器仪表学报,2008,29(2):432-435.