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摘 要：随着微电子技术的发展，民用和军用设备微型化、低功耗及多功能化成为发展趋势，文中设计了应用于实验教学的基于MEMS微惯性器件的三轴稳定平台。该平台采用领先的智能传感器技术设计而成，可实现完全自主姿态监测，有助于学生了解陀螺稳定平台并掌握相关原理、技术及其应用，为陀螺稳定平台的深入研究打下坚实基础。
关键词：MEMS；三轴陀螺；稳定平台
1 作品简介
本设计主要应用于实验教学。平台采用领先的智能传感器技术，包括三轴MEMS陀螺、三轴MEMS加速度计和三轴MEMS磁强计传感器。平台控制系统由姿态信息采集和姿态解算与动力控制两个基本单元组成。姿态信息检测单元通过MEMS陀螺仪检测平台的俯仰、横滚航向角获取陀螺和加速度计数据，由MEMS加速度计对姿态信息进行校正，经处理后发送给姿态解算与动力控制单元，然后由该单元将获取到的惯性传感数据进行数据融合，解算姿态信息，并利用控制策略控制平台动力系统，使平台的横滚内框保持平稳。平台姿态解算加入Kalman滤波技术，由嵌入式单片机完成，由电机执行，采用PWM波控制。学生可分别做陀螺、加速度、电子罗盘和航姿综合实验等。本实验系统有助于学生理解和掌握惯性导航、航向姿态、运动状态测量的原理、技术及其应用。MEMS三轴稳定平台系统如图1所示。六自由度IMU姿态测量单元如图2所示。三軸稳定平台模型如图3所示。
2 工作原理
2.1 整体方案
平台控制系统由姿态信息采集和姿态解算与动力控制两个基本单元组成，如图4所示。姿态信息检测单元获取陀螺、加速度计、磁罗盘的数据，经处理后发送给姿态解算与动力控制单元，然后由该单元将获取到的惯性传感数据进行数据融合，解算俯仰和横滚、航向姿态信息，并利用控制策略控制平台动力系统，使平台的横滚内框保持平稳。三轴稳定平台原理框图如图4所示。
2.2 姿态采集
姿态检测单元主要负责三轴MEMS陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计的数据采集与信号处理。MEMS陀螺信号采集方面，设计了模拟信号的低噪声信号调理电路和高精度的AD转换电路，将获取到的MEMS陀螺信号进行噪声分析和滤波处理，然后通过对MEMS微陀螺的测试标定，利用误差补偿算法改善陀螺信号。MEMS加速度计方面，设计了基于SPI总线通信的数据获取软、硬件系统，以提取三轴加速度信息。然后将获取并处理过的两轴MEMS陀螺和三轴加速度计数据通过自定义的通信协议经422总线以固定频率发送出去。姿态采集模块原理框图如图5所示。
2.3 数据融合与姿态控制
姿态解算和控制单元以被动的中断方式进行姿态信息数据获取，获取信息后先利用三轴加速度信息计算基于加速度计的瞬时俯仰和横滚角作为观测量，结合两轴向的陀螺数据，利用Kalman滤波数据融合算法对下一时刻姿态角进行预估计；然后以此为依据，利用PID算法计算角度控制增量，并将此角增量信息通过485总线传递给数字舵机，由舵机反向旋转后使两轴稳定平台恢复初始位置，使平台系统内框架保持平稳。
3 创新点
（1）传感模块中采用小体积、低功耗的MIMU，电源可内置，实现完全自主姿态监测。各模块实物图如图6所示。
（2）采用针对MEMS陀螺模拟角速率信号配置高精度差分采集电路。陀螺A/D转换与数字输出零偏测试积分对比如图7所示。
（3）姿态解算加入Kalman滤波技术，使得陀螺应用精度提升6倍以上，由MEMS加速度计对姿态信息进行校正。Kalman滤波前后陀螺性能对比如图8所示。
（4）建立了微机械陀螺零偏，标度因子随温度变化的误差模型，补偿后微机械陀螺仪精度提高2～3个数量级。温度误差模型效果如图9所示。
图9 温度误差模型效果图
（5）执行机构舵机采用PWM波控制，反应速度20 ms。
（6）平台控制加入自动调平和找北功能。
（7）编写基于VC的上位机软件，可对平台控制情况进行实时监测。
4 市场前景
随着微电子技术的发展，民用和军用设备微型化、低功耗及多功能化成为发展趋势。基于MEMS惯性器件的稳定平台具有上述特点，在军事民用领域得到广泛应用，广阔的应用前景使得稳定平台成为各国数十年来的研究热点。目前国内主要研究单位有中电39所、清华大学、西安电子科技大学、南京航空航天大学等。作为学生教学仪器的三轴陀螺稳定平台有助于学生由浅入深地了解陀螺稳定平台，并理解、熟悉、掌握惯性导航航向、姿态运动状态测量的原理、技术及其应用，为惯性组件的学习及陀螺稳定平台的深入研究打下坚实基础。稳定平台教学仪器如图10所示。
关键词：MEMS；三轴陀螺；稳定平台
1 作品简介
本设计主要应用于实验教学。平台采用领先的智能传感器技术，包括三轴MEMS陀螺、三轴MEMS加速度计和三轴MEMS磁强计传感器。平台控制系统由姿态信息采集和姿态解算与动力控制两个基本单元组成。姿态信息检测单元通过MEMS陀螺仪检测平台的俯仰、横滚航向角获取陀螺和加速度计数据，由MEMS加速度计对姿态信息进行校正，经处理后发送给姿态解算与动力控制单元，然后由该单元将获取到的惯性传感数据进行数据融合，解算姿态信息，并利用控制策略控制平台动力系统，使平台的横滚内框保持平稳。平台姿态解算加入Kalman滤波技术，由嵌入式单片机完成，由电机执行，采用PWM波控制。学生可分别做陀螺、加速度、电子罗盘和航姿综合实验等。本实验系统有助于学生理解和掌握惯性导航、航向姿态、运动状态测量的原理、技术及其应用。MEMS三轴稳定平台系统如图1所示。六自由度IMU姿态测量单元如图2所示。三軸稳定平台模型如图3所示。
2 工作原理
2.1 整体方案
平台控制系统由姿态信息采集和姿态解算与动力控制两个基本单元组成，如图4所示。姿态信息检测单元获取陀螺、加速度计、磁罗盘的数据，经处理后发送给姿态解算与动力控制单元，然后由该单元将获取到的惯性传感数据进行数据融合，解算俯仰和横滚、航向姿态信息，并利用控制策略控制平台动力系统，使平台的横滚内框保持平稳。三轴稳定平台原理框图如图4所示。
2.2 姿态采集
姿态检测单元主要负责三轴MEMS陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计的数据采集与信号处理。MEMS陀螺信号采集方面，设计了模拟信号的低噪声信号调理电路和高精度的AD转换电路，将获取到的MEMS陀螺信号进行噪声分析和滤波处理，然后通过对MEMS微陀螺的测试标定，利用误差补偿算法改善陀螺信号。MEMS加速度计方面，设计了基于SPI总线通信的数据获取软、硬件系统，以提取三轴加速度信息。然后将获取并处理过的两轴MEMS陀螺和三轴加速度计数据通过自定义的通信协议经422总线以固定频率发送出去。姿态采集模块原理框图如图5所示。
2.3 数据融合与姿态控制
姿态解算和控制单元以被动的中断方式进行姿态信息数据获取，获取信息后先利用三轴加速度信息计算基于加速度计的瞬时俯仰和横滚角作为观测量，结合两轴向的陀螺数据，利用Kalman滤波数据融合算法对下一时刻姿态角进行预估计；然后以此为依据，利用PID算法计算角度控制增量，并将此角增量信息通过485总线传递给数字舵机，由舵机反向旋转后使两轴稳定平台恢复初始位置，使平台系统内框架保持平稳。
3 创新点
（1）传感模块中采用小体积、低功耗的MIMU，电源可内置，实现完全自主姿态监测。各模块实物图如图6所示。
（2）采用针对MEMS陀螺模拟角速率信号配置高精度差分采集电路。陀螺A/D转换与数字输出零偏测试积分对比如图7所示。
（3）姿态解算加入Kalman滤波技术，使得陀螺应用精度提升6倍以上，由MEMS加速度计对姿态信息进行校正。Kalman滤波前后陀螺性能对比如图8所示。
（4）建立了微机械陀螺零偏，标度因子随温度变化的误差模型，补偿后微机械陀螺仪精度提高2～3个数量级。温度误差模型效果如图9所示。
图9 温度误差模型效果图
（5）执行机构舵机采用PWM波控制，反应速度20 ms。
（6）平台控制加入自动调平和找北功能。
（7）编写基于VC的上位机软件，可对平台控制情况进行实时监测。
4 市场前景
随着微电子技术的发展，民用和军用设备微型化、低功耗及多功能化成为发展趋势。基于MEMS惯性器件的稳定平台具有上述特点，在军事民用领域得到广泛应用，广阔的应用前景使得稳定平台成为各国数十年来的研究热点。目前国内主要研究单位有中电39所、清华大学、西安电子科技大学、南京航空航天大学等。作为学生教学仪器的三轴陀螺稳定平台有助于学生由浅入深地了解陀螺稳定平台，并理解、熟悉、掌握惯性导航航向、姿态运动状态测量的原理、技术及其应用，为惯性组件的学习及陀螺稳定平台的深入研究打下坚实基础。稳定平台教学仪器如图10所示。