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ADIS16300四自由度IMU在姿态测量中的应用_胡炼

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ADIS16300四自由度IMU在姿态测量中的应用胡炼，赵祚喜，吴晓鹏（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）

摘要：为了实现复杂的运动与导航控制，需获取控制对象的空间姿态信息，设计了基于四自由度（4DoF）IMU惯性测量传感器和C8051F330单片机的姿态测量系统。介绍了ADIS16300惯性测量传感器的特点及应用，详细说明其数据读取和数据转换，并设计了它与C8051F330单片机组成的姿态测量系统的硬件电路和软件程序。最后将其与AHRS500GA-226航向参考系统进行对比分析，结果表明，ADIS16300能够准确反应空间姿态，其中航向角速率、X轴

加速度、Y轴加速度和Z轴加速度4个空间姿态的平均误差分别为0.469（°）/s、0.009m/s2、0.010m/s2、0.003m/s2

。

关键词：ADIS16300；四自由度；姿态测量；C8051F330；AHRS中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1674－6236（2010）07-0103-044DoFIMUADIS16300anditsapplicationinattitudemeasurement

HULian，ZHAOZuo-xi，WUXiao-peng（KeyLaboratoryofKeyTechnologyonAgriculturalMachineandEquipmentofSouthChinaAgriculturalUniversity，MinistryofEducation，Guangzhou510642，China）

Abstract:Inordertoachievecomplexmotionandnavigationcontrol，itisimportanttoaccessspaceattitudeinformationofcontrolobject.Asystemwasdesignedwhichbasedona4DoFIMUADIS16300andC8051F330.Thecharacteristicandusingofthesensorweredescribed.Itsdataacquisitionandconversionwasdescribedindetail.Thehardwareandsoftwareofthesystemwasalsodesigned.TheattitudedataofADIS16300andAHRSwereanalyzedandcompared.TheresultshowsthattheADIS16300measuredthespaceattitudeaccurately.Theaverageerrorsofheadingangularrate，X-axisacceleration，Y-axisaccelerationandZ-axisaccelerationare0.469（°）/s，0.009m/s2，0.010m/s2and0.003m/s2，respectively.Keywords:ADIS16300；4DoF；attitudemeasurement；C8051F330；AHRS

收稿日期：2010-01-28稿件编号：201001087基金项目：国家“863”高技术研究发展计划资助项目（2006AA10A304、2006AA10Z255），教育部留学人员科研启动基金作者简介：胡炼（1984—），男，湖南长沙人，博士研究生。研究方向：导航与自动控制。

近年来，微机电系统（MEMS）技术广泛用于汽车的系统和稳定系统、医学系统、便携式照相机、运动装置和三维鼠标等领域。简单和小体积的惯性测量系统尤其受到关注，因此，基于MEMS的高精度、重量轻、小体积的姿态测量系统将得到广泛的应用。本文将介绍一种ADI公司的惯性传感器以及由其组成的微小姿态测量系统。1ADIS16300简介ADIS16300四自由度（4DoF）IMU是一个完整的惯性测量传感器[1]，其内置单轴陀螺仪和三轴加速计，每个传感器都实现了iMEMS（MotionSignalProcessingTechnology）技术与信号调理技术的完美结合，可提供最优化的动态性能。工厂校准为每个传感器提供灵敏度、偏置、对准和线性加速度特性。因此，每个传感器都拥有自身的动态补偿，从而可以在4.75～5.25V的电源范围内进行精确的传感器测量。由于ADIS16300所有必要的运动检测与校准都是在工厂完成，大幅缩短了系统集成时间，并降低了测试设备成本。ADIS16300采用改进的SPI接口，可提供更快的数据收集与配置控制，用户实现就像供电及连接SPI（串行外设接口）端口一样简单。ADIS16300采用23mm×31mm×7.5mm封装，具有2000g额定耐冲强度，并提供了一个标准的连接接口，使其能方便水平或垂直安装。ADIS16300角速度检测的动态范围具有±75、±150以及±300（°）/s3种选项，三轴加速度的动态范围为±3g，可提供

350Hz带宽，高达1200次/秒的采样速率，并具有嵌入式与

可编程数字滤波功能。ADIS16300其价格仅为其他同级产品的1/10，可广泛应用于医疗仪器、机器人、惯性测量单元、导航控制等领域。

2ADIS16300结构功能

如图1所示，图（a）为ADIS16300的坐标系，其标出了每个惯性传感器（陀螺仪和加速度计）的测量朝向[2]。图（b）为

ADIS16300的标准接口引脚配置图，引脚16，17，18，19，

22，23，24是没有连接的预留引脚；引脚10，11，12为电源

VCC；引脚13，14，15为电源GND；引脚3，4，5，6分别为

电子设计工程ElectronicDesignEngineering第18卷Vol.18第7期No.72010年7月Jul.2010

－103－《电子设计工程》2010年第7期

表1输出数据格式SPI接口的时钟，数据输出，数据输入和器件选择引脚；引脚1，2，7，9分别为配置数据输入/输出引脚；引脚8为复位引脚；引脚21，22分别为12位的ADC输入和DAC输出引脚。ADIS16300功能模块框图如图2所示，温度传感器、MEMS角速度传感器和三轴MEMS加速度传感器分别感知环境温度、器件所受角速度和三维加速度，将信号调理并转换，经校准和数字信号处理后将数据存入输出寄存器供外部SPI主控器件读取。ADIS16300是一个智能的传感器，传感器上电后便自动以819.2次/秒采样速率进行惯性测量。每个采样周期结束后，传感器测量结果存放至输出寄存器，并且DIO1引脚向器件外产生一个脉冲，表示一个完整的新惯性测量数据已经采集准备好，可供外部SPI主控器件读取。3ADIS16300基本操作3.1ADIS16300的SPI连接ADIS16300是一个全数字接口的智能传感器系统，其SPI接口与各种微处理器SPI主控制器件接线如图3所示。微处理器作为SPI主器件各引脚功能分别为：SS为从器件选择；IRQ为中断请求；MOSI为主器件输出，从器件输入；MISO为器件输入，从器件输出；SCLK为连续时钟。ADIS16300对SPI时钟需满足：正常模式下SCLK不高于2MHz；数据迸发模式下SCLK不高于1MHz；在低电压模式下SCLK不高于300kHz。3.2传感器数据读取

通过ADIS16300的SPI接口可读取其传感器的供电电压，陀螺仪值，X，Y，Z轴加速度值，温度值，纵摇角，横摇角等数据。根据ADIS16300读取数据时序，读取每个寄存器的内容分为两步，即2个16位的时序：第1个16位时序向ADIS16300写入读取命令和寄存器地址；第2个16位时序将

对应寄存器内容发送至DOUT数据线上。例如：如果第1个16位时序DIN＝0x0A00，那么第2个时序时，XACCL_OUT（X轴加速度值）将被发送到DOUT数据线上。数据迸发模式是连续读取ADIS16300数据的最好方式。在10个连续的时序周期内，9个常用寄存器数据可方便读到，它们分别是：SUPPLY_OUT（供电电压）、GYRO_OUT（陀螺仪）、XACCL_OUT（X轴加速度）、YACCL_OUT（Y轴加速度）、ZACCL_OUT（Z轴加速度）、TEMP_OUT（温度）、PITCH_OUT（俯仰角）、OLL_OUT（横滚角）和AUX_ADC（ADC转换结果）。数据迸发模式操作为：在连续10个时序周期内，DIN引脚对应的10个输入数据以0011111000000000（0x3E00）开始，之后9个数据可任选，同时在DOUT引脚上依次输出如上所述9个输出寄存器内的数据。3.3数据处理

表1说明了ADIS16300数据输出的格式和比例因子。从表1中可知，SUPPLY_OUT和AUX_ADC数据格式都为12位的二进制数据，各惯性传感器输出的数据格式均为14位2的补码，温度传感器输出数据格式和AUX_ADC数据格式都是12位2的补码，而横摇角和纵摇角数据格式为13位的2

的补码。也就是说0x0000是0LSB，0x0001是+1LSB，2n-1

（n=12，13，14）为-1LSB，LSB为满量程输入范围的最小单位。若为GYRO_OUT时，1LSB＝0.05（°）/s。下式可用来将输出数据转换成浮点形式的姿态数据。

OUTi=DATA_OUTi×Scale，DATA_OUTi≤2n-1

（2n-DATA_OUTi）×（-Scale），DATA_OUTi>2n-1≤

式中，DATA_OUTi为表1中输出数据，OUTi为转换后浮点形式的姿态数据，Scale为表1中最小单位，n为表1中数据位数。

例如：GYRO_OUT＝0x3B4A，由于0x3B4A>214-1=0×2000，

则角速率Rate=（0x4000-0x3B4A）×（-0.05）（°）/s＝1206×（-0.05）

图1ADIS16300坐标定义与引脚配置图2ADIS16300功能模块框图图3SPI连接示意图输出数据数据位数格式最小单位SUPPLY_OUT12二进制，5V=0x08142.42mVGYRO_OUT142的补码0.05（°）/sXACCL_OUT142的补码0.6mgYACCL_OUT142的补码0.6mgZACCL_OUT142的补码0.6mgTEMP_OUT122的补码，25℃=0x00000.14℃ROLL_OUT132的补码0.044°PITHC_OUT132的补码0.044°AUX_ADC12二进制，1V=0x04D90.81mV

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imu姿态解算方向余弦矩阵

imu姿态解算方向余弦矩阵

imu姿态解算方向余弦矩阵IMU姿态解算方向余弦矩阵引言：想要准确地了解和掌握物体的姿态信息，传感器是不可或缺的工具。

其中，惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，简称IMU）作为一种集成了加速度计和陀螺仪的传感器，可以用于测量物体的加速度和角速度。

在IMU中，姿态解算方向余弦矩阵是一种常用的数学工具，用于将传感器测量的加速度和角速度信息转化为物体在三维空间中的姿态。

一、什么是姿态解算方向余弦矩阵？姿态解算方向余弦矩阵（Direction Cosine Matrix，简称DCM）是一种描述物体姿态的数学工具，用于将物体相对于某个参考坐标系的姿态表示为一个3x3的正交矩阵。

该矩阵的每一个元素代表了物体在三个坐标轴上的方向余弦，即物体在参考坐标系中的三个轴上的投影。

二、为什么使用姿态解算方向余弦矩阵？IMU测量的加速度和角速度信息不能直接用于得到物体的姿态，因为这些测量值是相对于传感器坐标系的。

而通过姿态解算方向余弦矩阵，可以将传感器坐标系中的测量值转化为物体在参考坐标系中的姿态，从而实现对物体姿态的准确测量和控制。

三、姿态解算方向余弦矩阵的计算方法姿态解算方向余弦矩阵的计算方法有多种，其中一种常用的方法是基于四元数的姿态解算。

这种方法通过将加速度和角速度信息转化为四元数，然后再将四元数转化为方向余弦矩阵。

具体的计算过程包括以下几个步骤：1. 读取加速度和角速度测量值；2. 根据加速度测量值计算物体的倾斜角度；3. 根据角速度测量值计算物体的旋转速度；4. 根据倾斜角度和旋转速度计算四元数；5. 将四元数转化为方向余弦矩阵。

四、姿态解算方向余弦矩阵的应用姿态解算方向余弦矩阵在许多领域都有广泛的应用。

例如，在飞行器中，通过IMU测量的加速度和角速度信息可以用来推算飞行器的姿态，从而实现飞行器的姿态控制和导航。

此外，姿态解算方向余弦矩阵还可以应用于虚拟现实、机器人、运动捕捉等领域，用于实现准确的姿态估计和控制。

ADIS16448 10轴惯性测量单元数据手册说明书

ADIS16448 10轴惯性测量单元数据手册说明书

Rev. ADocument FeedbackTel: 781.329.4700 ©2012–2013 Analog Devices, Inc. All rights reserved.Technical Support 功能框图CONTROLLLERCLOCKTRIAXIAL GYRO TRIAXIAL ACCEL POWER MANAGEMENTCS SCLKDIN DOUTGNDVDDTEMP VDDDIO1DIO2DIO3DIO4/CLKIN RSTSPITRIAXIAL MAGN PRESSURE SELF TESTI/OALARMSOUTPUT DATA REGISTERSUSER CONTROL REGISTERSCALIBRATIONAND FILTERSADIS1644809946-001图1.紧凑、精密10自由度惯性传感器ADIS16448ADI 中文版数据手册是英文版数据手册的译文，敬请谅解翻译中可能存在的语言组织或翻译错误，ADI 不对翻译中存在的差异或由此产生的错误负责。

如需确认任何词语的准确性，请参考ADI 提供的最新英文版数据手册。

概述ADIS16448 i Sensor®是一款完整的惯性系统，内置一个三轴陀螺仪、一个三轴加速度计、一个三轴磁力计和压力传感器。

每个传感器都实现了业界先进的i MEMS®技术与信号调理技术的完美结合，可提供优化的动态性能。

工厂校准针对各传感器的灵敏度、偏置、对准和线性加速度(陀螺偏置)进行校准。

因此，各传感器均有其自己的动态补偿公式，可提供精确的传感器测量。

与复杂且昂贵的分立设计方案相比，ADIS16448为精确的多轴惯性检测与工业系统的集成提供了简单而高效的方法。

所有必需的运动测试及校准都是工厂生产过程的一部分，大大缩短了系统集成时间。

严格的正交对准可简化导航系统中的惯性坐标系对准。

SPI 和寄存器结构针对数据收集和配置控制提供简单的接口。

imu姿态滤波算法

imu姿态滤波算法

imu姿态滤波算法【原创实用版】目录1.IMU 姿态滤波算法的概述2.Madgwick 算法的原理与代码3.Mahony 算法的原理与代码4.算法的比较与选择正文一、IMU 姿态滤波算法的概述IMU 姿态滤波算法是一种基于惯性测量单元（IMU）数据的姿态估计方法，主要通过加速度计、陀螺仪和磁力计等传感器采集的数据，计算出物体在三维空间中的姿态信息。

这类算法广泛应用于无人机、机器人和虚拟现实等领域。

常见的 IMU 姿态滤波算法有 Madgwick 算法和 Mahony 算法。

二、Madgwick 算法的原理与代码Madgwick 算法是一种基于四元数的姿态滤波算法，它根据加速度计、陀螺仪和磁力计的数据，融合计算机体四元数，计算速度快且精度较高。

该算法的主要步骤如下：1.将加速度计、陀螺仪和磁力计的数据转换为四元数。

2.计算四元数的旋转矩阵。

3.利用旋转矩阵计算物体的姿态。

具体的代码实现可以参考相关教程和开源项目。

三、Mahony 算法的原理与代码Mahony 算法是另一种基于四元数的姿态滤波算法，它的原理与Madgwick 算法类似，但计算过程有所不同。

Mahony 算法的主要步骤如下：1.将加速度计、陀螺仪和磁力计的数据转换为四元数。

2.计算四元数的均值和协方差矩阵。

3.利用均值和协方差矩阵计算物体的姿态。

具体的代码实现可以参考相关教程和开源项目。

四、算法的比较与选择Madgwick 算法和 Mahony 算法都是经典的 IMU 姿态滤波算法，它们各有优缺点。

Madgwick 算法的计算速度快，但对噪声敏感；而 Mahony 算法的计算速度相对较慢，但对噪声不敏感。

因此，在实际应用中，可以根据具体需求和场景选择合适的算法。

imu标定方法

imu标定方法

IMU标定方法引言惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）是一种常见的传感器，用于测量物体的加速度和角速度。

IMU广泛应用于导航、运动控制、姿态估计等领域。

由于制造和环境等因素的影响，IMU的准确性需要经过标定来得到更精确的测量结果。

本文将详细介绍IMU标定方法，并给出具体步骤和注意事项。

一、IMU标定的意义IMU标定是指通过实验手段确定IMU所测量的物理量与实际物理量之间的关系。

标定后的IMU能够提供更准确的加速度和角速度测量值，从而提高导航、姿态估计等应用的精度。

二、IMU标定方法概述IMU标定方法可以分为静态标定和动态标定两种。

其中静态标定是在静止状态下进行，适用于确定IMU的零偏和比例因子等参数；动态标定是在动态运动状态下进行，适用于确定IMU的误差模型和非线性因素等参数。

2.1 静态标定方法静态标定方法通过在静止状态下进行一系列实验，并根据实验数据进行参数拟合，得到IMU的零偏、比例因子等参数。

常用的静态标定方法有：2.1.1 零偏标定1.将IMU放置在水平的平台上，并保持静止。

2.记录一段时间的加速度计和陀螺仪输出数据。

3.对于三轴加速度计和陀螺仪分别计算平均值，得到零偏参数。

2.1.2 比例因子标定1.将IMU放置在已知加速度和角速度的参考系统中。

2.记录IMU和参考系统的输出数据。

3.根据已知加速度和角速度以及IMU的输出数据，计算比例因子参数。

2.2 动态标定方法动态标定方法通过在动态运动状态下进行一系列实验，利用系统动力学模型进行参数估计，得到IMU的误差模型、非线性因素等参数。

常用的动态标定方法有：2.2.1 静态回转法1.将IMU装在一个手持器材上，手持并依次在各个方向上进行平稳的旋转。

2.记录IMU的输出数据和旋转的角度。

3.利用旋转的角度和IMU的输出数据进行参数拟合，得到误差模型参数。

2.2.2 加速度计自由落体法1.将IMU从一定高度自由落下。