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IMU-惯性测量单元组合惯导产品是将陀螺，磁力计，加速度计，GPS等有机组合以提供更加丰富精确的导航信息。
IMU（惯性测量单元，可输出载体三轴的角速度，加速度值）。
主要应用在航空、陆地、海洋导航，跟踪控制，平台稳定，ROV/AGV控制，UAV/RPV控制，精准耕种等。
美国Crossbow系列产品：IMU700CB, IMU440CA, IMU321, ADIS16350/ADIS16355;ADIS16350/ADIS16355温度校准iSensor®提供完全的三轴惯性检测(角度运动与线性运动)，它是一个小体积模块，适合系统集成。
ADIS16355内核采用Analog Devices, Inc., (ADI公司)的iMEMS®传感器技术，内置嵌入式处理用于传感器校准与调谐。
SPI接口允许简单的系统接口与编程。
特点：-三轴陀螺仪;动态范围：±75°/s, ±150°/s, ±300°/s14位分辨率-集成三轴加速度计±10 g 测试范围14位分辨率-带宽：350 Hz-在温度范围内，工厂已校准灵敏度与偏移ADIS16350: +25°CADIS16355: −40°C 至+85°C-SPI®兼容串行接口-承受冲击加速度：2000g（通电情况下）应用：-飞行器的导航与控制-平台稳定与控制-运动控制与分析-惯性测量单元-GPS辅助导航-摄像稳定-机器人ADIS16355系列惯性测量单元参数条件典型值单位陀螺灵敏度灵敏度25℃，动态范围：±300°/s 0.07326 °/s/LSB25℃，动态范围：±150°/s 0.03663 °/s/LSB25℃，动态范围：±75°/s 0.01832 °/s/LSB灵敏度温度系数40 ppm/℃非线性0.1 %陀螺轴非正交性25℃，与理想90°比±0.05 °陀螺轴失准角25℃，相对于基准面±0.5 °陀螺零偏零偏稳定性25℃，1σ0.015 °/s角度随机游走25℃，1σ 4.2 °/√Hz温漂系数0.008 °/s/℃g值敏感任意轴，1σ0.05 °/s/g电压敏感Vc c =4.75V to 5.25V 0.25 °/s/V陀螺噪声输出噪声25℃，动态范围：±300°/s，不滤波0.6 °/s rms 25℃，动态范围：±150°/s，4阶滤波0.35 °/s rms25℃，动态范围：±75°/s，16阶滤波0.17 °/s rms速率噪声密度25℃，频率=25Hz，±300°/s，不滤波0.05 °/s/√Hz rms陀螺频响3dB带宽350 Hz谐振频率14 KHz加速度计灵敏度测量范围每个轴±10 g灵敏度25℃，每个轴 2.522 mg/LSB非线性±0.2 %温度系数10 ppm/℃加计轴间非正交性25℃，与理想90°比±0.25 °加计轴失准角25℃，相对于基准面±0.5 °加计零偏0g偏置25℃±20 mg温度系数0.33 mg/℃加计噪声输出噪声25℃，无滤波35 mg rms噪声密度25℃，无滤波 1.85 mg/√Hz rms加计频响3dB带宽350 Hz谐振频率10 KHz温度传感器输出25℃0 LSB灵敏度 6.88 LSB/℃ADC输入分辨率12 bits输入范围0~2.5 VDAC输出分辨率12 bits输出范围0~2.5 V转换速度最大采样率819.2 sps最小采样率0.413 sps启动时间初始上电150 ms休眠模式恢复 3 ms供电供电电压5±5% V供电电流25℃，通常模式33 mA25℃，快速模式57 mA25℃，休眠模式500 μA条件：温度=-40℃~+85℃;Vc c =5V;角速率=0°/s;动态范围=±300°/s，±1g本公司还供应上述产品的同类产品：。
基于MEMS的姿态测量系统
朱荣;周兆英
【期刊名称】《测控技术》
【年(卷),期】2002(021)010
【摘要】载体的姿态测量是载体进行预计轨迹运动的基础.姿态测量有多种方式,其中采用磁场传感器测量大地磁场确定航向的方法由于结构简单、体积小、重量轻、启动迅速、成本低等特点,自古至今一直得到应用.本课题在此基础上,利用微机电系统(MEMS)技术,设计了由微机电传感器组合而成的微型方位水平仪,该系统由三轴
微加速度计和三轴微磁强计组成.利用大地磁场和重力场在地理坐标系和载体坐标
系之间的方向余弦转换进行绝对角度解算得到姿态角.该微型姿态测量系统体积小、重量轻、功耗低、启动快、无长期漂移,可进行全姿态动态连续测量,测角精度为
±0.5°(俯仰和滚转)、±0.7°(航向).
【总页数】4页(P6-8,13)
【作者】朱荣;周兆英
【作者单位】清华大学,精密仪器系MEMS实验室,北京,100084;清华大学,精密仪
器系MEMS实验室,北京,100084
【正文语种】中文
【中图分类】V447
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1.基于MEMS的运动体姿态角度测量系统设计与实现 [J], 徐万芝;高国伟;潘宏生;杨寰;毛瑞燕
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基于惯性主轴的水果姿态检测姚立健;边起;雷良育;赵大旭【摘要】介绍了一种基于惯性主轴的水果分级目标姿态检测方法.采用计算惯性主轴的方法求取水果的果轴信息,在测试台上通过增加一个反光镜面的方法获取同一水果两个视角的图像,分别求出各图像的惯性主轴,据此获取空间水果目标的姿态.结果表明,正投影果轴倾角实测值与计算值的平均误差为4.4°,果轴检测正确率为86％,果轴与测试台夹角实测值与计算值的平均误差为5.9°,该方法可有效检测分级生产中水果的姿态.%A detection method for object attitude based on principal axis of inertia which was applied in fruit grading was introduced. Fruit axis information was calculated by calculating the axis of inertia and two perspective images of the same fruit were obtained by adding a reflector, and the principal axis of inertia of each image was obtained respectively to obtain the attitude information of the space fruits object. The experiment results showed that the average error of the orthographic projection fruit axis angle between measured value and calculated value was 4.4°, the correct rate of fruit axis detection was 86%, and the average error of the angles of fruit axis and test bench between measured value and calculated value was 5.9°. This method was favorable to detect the object att itude of fruit grading.【期刊名称】《湖北农业科学》【年(卷),期】2012(051)017【总页数】4页(P3862-3865)【关键词】果轴;惯性主轴;目标姿态【作者】姚立健;边起;雷良育;赵大旭【作者单位】浙江农林大学工程学院,杭州 311300;浙江农林大学工程学院,杭州311300;浙江农林大学工程学院,杭州 311300;浙江农林大学工程学院,杭州311300【正文语种】中文【中图分类】TP391.4采用计算机视觉技术进行农产品图像处理具有精度高、定量性和适应性强等特点［1］。
基于三轴惯性测试转台的集成惯性传感器ADIS16355实验研究赵汝准;赵祚喜;张霖;俞龙;孙道宗;邓珍东【摘要】惯性传感器在导航系统中应用广泛,为了保证上述给定应用的适应性及满足应用的精度要求,需要对传感器进行必要的性能参数实验研究.以ADI公司的ADIS16355惯性传感器为研究对象,首先介绍它在导航中的应用及其数据读取基本操作；接着介绍SGT320E型三轴多功能转台,通过该转台进行了ADIS16355传感器固定零偏、标度闪数、标度因数非线性及长期稳定性性能指标的实验,应用Matlab软件对传感器输出数据进行分析.详细介绍了实验步骤及实验结果分析,结果表明ADIS16355XYZ轴陀螺仪固定零偏、标度因数符合其数据手册指标.【期刊名称】《机电工程技术》【年(卷),期】2012(041)003【总页数】5页(P22-26)【关键词】ADIS16355;三轴惯性测试转台;陀螺仪;惯性传感器【作者】赵汝准;赵祚喜;张霖;俞龙;孙道宗;邓珍东【作者单位】华南农业大学南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室,广东广州 510642;华南农业大学南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室,广东广州 510642;华南农业大学南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室,广东广州 510642;华南农业大学南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室,广东广州 510642;华南农业大学南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室,广东广州 510642;中国人民解放军广州军区空军装备部,广东广州 510642【正文语种】中文【中图分类】TP21 引言近年来，集成惯性传感器在导航与控制、平台稳定、运动控制、图像稳定、机器人等领域应用越来越广泛[1]。
以Analog Devices，Inc.，(ADI公司)三轴集成惯性传感器ADIS16355为研究对象，它主要应用在单一惯性导航系统和多传感器组合导航系统中，如GPS+ADIS16355组合导航系统、GPS+ADIS16355+磁强计组合导航系统、ADIS16355+视觉组合导航系统等[2-6]。
文章编号:1004-9037(2012)04-0501-07MEMS 惯性传感器ADIS 16355在姿态测量中的应用黎永键1 赵祚喜2 高俊文1(1.广东农工商职业技术学院机电系,广州,510507;2.华南农业大学工程学院,广州,510642)摘要:设计了基于微电子机械系统(M icro elect ro mechanical sy stem ,M EM S )惯性传感器集成模块ADI S 16355的姿态测量系统。
该姿态测量系统采用ADI S16355作为惯性测量单元,利用加速度计对重力向量的观测来修正陀螺给出的姿态信息,卡尔曼滤波实现传感器信息融合以计算运动载体的姿态角。
介绍了ADI S16355的基本功能模块,阐述了两种传感器融合测量实时姿态角的方法并给出了卡尔曼滤波算法迭代过程。
基于ARM v 7架构的Cotex -M 3微处理器设计了姿态测量系统硬件。
采用A HR S 500G A 对该姿态测量系统性能进行了测量姿态角的验证实验。
测试结果表明,该姿态测量系统能在动态条件下准确地测定运动物体实时姿态角,其误差一般在±1°左右。
关键词:惯性传感器;数据融合;卡尔曼滤波;姿态测量中图分类号:T P 212.9 文献标识码:A 基金项目:国家高技术研究发展计划(“八六三”计划)(2006A A10A 304)资助项目;国家高技术研究发展计划(“八六三”计划)专题(2006A A10Z255)资助项目;精准农业智能关键装备技术引进与创新(2011-G32)资助项目。
收稿日期:2011-05-04;修订日期:2011-10-18Application of MEMS Inertial Sensor ADIS 16355in Attitude Measurement SystemLi Yongjian 1,Zhao Zuoxi 2,Gao Junwen1(1.Depar tment of Electrica l ,Guangdong A IB Polytechnic Colleg e ,Gua ng zh ou ,510507,China ;2.Colleg e o f Engineering ,South China Ag ricultur al U niv er sity ,Guang zho u ,510642,China )Abstract:An efficient desig n fo r attitude measurement system is presented .The system has m ain features a s fo llow s :mo nitoring the attitude ang les by fusing o ne tri-axial accelerom eter and o ne tri-axial gy roscope integ rated in ADIS16355(M EM S iner tial senso r module ),collecting info rm atio n and calcula ting attitude a ngles by using ARM 7v 7processo r Co tex -M 3.The compensa tion of the w hole attitude m easurem ent system a re presented ,as w ell as the functio n of ADIS16355and their installa tion on the object.Then,o ne Kalman filter is desig ned as a senso r data fusion m ethod for measuring real-tim e attitude a ng les.Finally,based o n the com pariso ns betw een fused data and reference da ta from an AHRS 500G A instrum ent ,ex perimental resultssho w that the pro posed fusio n metho d giv es quite accurate attitude info rmation of the co ntro lled o bject a nd the av erag e error of attitude m easurement is ±1°.Key words :inertial senso r;da ta fusio n;Kalman filter;attitude measurement引 言在通信、雷达跟踪、汽车定位及机器人定位等的导航中,载体的运动控制都需要用到载体姿态信息,主要包括姿态角、航向角、加速度和角速度等[1]。
载体的姿态测量有多种方法,根据对象以及执行任务要求的不同,姿态传感器可选用惯性式、磁感应式等[2]。
微电子机械系统(Microelectro mechanica l system ,M EM S )惯性传感器是集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统,属于惯性式传感器。
基于M EM S 技术的传感器在体积、质量、功耗上都具有很大优势,从而成为微型系统姿第27卷第4期2012年7月数据采集与处理J o urnal o f Data Acquisitio n &Processing V ol.27N o.4Jul.2012态测量中的一种较好选择。
但M EM S传感器存在精度低、漂移大等缺点,特别是M EM S陀螺由于其较大的漂移,只能在短时间内提供可靠的信息[3]。
因此,单个M EM S传感器必须与其他姿态传感器组合使用才能给出长期稳定可靠的姿态和航向信息。
研究工作表明,传感器信息融合可以较好解决单个传感器测量误差偏大的问题,基于Ka lman滤波算法的姿态测量可以更有效地提供运动物体的姿态信息[4]。
文献[5]设计了Kalm an滤波器对农业自动导航车辆的GPS定位数据进行平滑处理实现姿态修正,同时实现磁航向传感器偏移误差的在线辨识与航向校正,更真实地反映了被测对象运动状态。
文献[6]研究了扩张型卡尔曼滤波(EKF)与神经网络智能控制相结合的融合滤波方法,对滤波器状态方程的预报值进行在线修正,获得的导航参数精度和动态性能均有提高。
文献[7]基于M EM S器件设计了微型六自由度的姿态航向参考系统,以Kalma n滤波算法作传感器信息融合,试验表明该系统可以提高导航系统的可靠性。
以上研究均采用卡尔曼滤波作为传感器信息融合的方法,姿态测量的精度有所提高,但是在测量系统的体积小型化、融合算法的优化方面的问题没有得到有效的解决。
因此,本文设计了姿态测量系统以准确测量运动物体的姿态信息,重点是推导出适用于该系统的Kalman滤波算法,以进行传感器信息融合。
该系统采用加速度计与陀螺仪集成模块ADIS16355作为传感器测量单元,利用加速度计对重力向量的观测来修正陀螺给出的姿态角信息,采用卡尔曼滤波算法对其状态进行估计。
1 姿态测量系统1.1 ADIS16355简介ADIS16355是一个完整的三轴陀螺和三轴加速度计组成的惯性感应系统,应用于运动控制与分析、机器人、惯性测量单元、导航控制等领域。
该传感器包涵ADI公司微机械和混合信息处理技术,是一个高度集成的解决方案,提供校准后的数字惯性感应[8]。
ADIS16355功能模块如图1(a)所示,传感器上电后便自动以819.2SPS采样速率进行惯性测量,温度传感器、M EM S三轴角速度传感器和三轴M EM S加速度传感器分别感知环境温度、器件所受三维角速度和加速度。
1.2 姿态测量系统设计与硬件实现图1(b)是姿态测量系统硬件结构示意图。
该系统的器件包括ARMv7架构的Cotex-M3处理器,ADIS16355,SD卡存储器等。
Cortex-M3处理器是一个低功耗的处理器,使用了ARMv7-M体系结构,是一个可综合的、高度可配置的处理器[9]。
从性能上看,Cortex-M3处理器可以作为本文的融合算法硬件实现。
Cor tex-M3的I/O口允许0～5V 电平,且ADIS16355的SPI接口输入高电平只需到2.0V,因此Co rtex-M3和ADIS16355虽是不同工作电源芯片,但它们的接口电平兼容,可采取直接连接的方式直接连接。
RS-232电平转换采用M AX3232,它是一款3～ 5.5V单通道RS-232线路驱动器/接收器。
电源电路可提供+5V和+12V电压,分别为ADIS16355和Co rtex-M3提供电源。
Co tex-M3处理器使用SPI接收来自ADIS16355的数据,传感器的数据使用SD卡存储器进行保存。
图1 姿态测量系统的整体结构2 融合算法推导2.1 姿态航向算法对于常见的坐标系,本文采用以下的表示方法:n为导航坐标系,b为机体坐标系,θ为横滚角,502数据采集与处理第27卷O为俯仰角,j 为航向角。
方向余弦矩阵体现了机体坐标系与导航坐标系之间的关联关系,假设C n b 为载体坐标系b 转换到导航坐标系n 时相应的方向余弦矩阵,则有如下关系[10]C nb =cos θco s j -cos O sin j +sin O sin θcos j sin O sin j +co s O sin θcosj co s θsin j cos O cos j +si n O sin θsin j-sin O cos j +cos O sin θsin j-sin θsin O co s θco s O co s θ 四元数为四自由度的空间变量,记为Q =q 0+i q 1+j q 2+k q 3。
四元数与方向余弦矩阵有以下关系[11]C n b =q 20+q 21-q 22-q 232(q 1q 2-q 0q 3)2(q 1q 3+q 0q 2)2(q 1q 2+q 0q 3)q 20-q 21+q 22-q 232(q 3q 2-q 0q 1)2(q 1q 3-q 0q 2)2(q 3q 2+q 0q 1)q 20-q 21-q 22+q 23由此可得出四元数与运动物体姿态角有如下关系O =a ta n2(2(q 2q 3-q 0q 1),1-2(q 21+q 22))(1)θ=a sin (-2(q 1q 3-q 0q 2))(2)j=a tan 2(2(q 1q 2-q 0q 3),1-2(q 22+q 23))(3)2.2 MEMS 传感器测量倾角原理当被测物体处于静态的情况下,加速度值为零,记为a b ib=0,根据加速度计的原理,有fb=a bib-g b=-g b=-[g b(1);g b(2);g b(3)](4)式中:f b为比力;g b为重力加速度在载体坐标系下的三轴分量,如图2所示。
