基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置的製作方法
2023-10-22 21:56:22 5
專利名稱:基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置的製作方法
技術領域:
本發明涉及信號採集和測量技術領域,尤其涉及基於微機電系統 (Micro Eelectro Mechanical System, MEMS)的微慣性測量裝置,具體是 一種基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置。其特點在於體積小、重 量輕、功耗低、成本低、無線傳輸,可應用於機器人、飛行器、車輛、人 體運動等領域的位姿檢測。
背景技術:
隨著微機電系統(Micro Eelectro Mechanical System, MEMS)技術的
發展,微陀螺儀和微加速度計等新型傳感器件不斷湧現,它們具有價格低、 體積小、重量輕、精度高等特點,而且很容易進行集成。
利用微機電慣性測量組合技術進行運動載體位姿的跟蹤具有非常廣 闊的前景。慣性跟蹤系統的基本原理是在目標初始位置、姿態已知基礎上, 依據慣性原理,利用陀螺和加速度計等慣性敏感元件測量物體運動的角速 度和直線加速度,然後通過積分獲得物體的位置和姿態。對陀螺儀輸出的 角速度一次積分可以獲得姿態信息,對加速度計輸出的加速度兩次積分可 以獲得位置信息。
由於慣性跟蹤系統完全依賴自身進行導航,不需要外部信號源,所以 可以在較大範圍內實現對物體的跟蹤,成為目前大範圍跟蹤的主要跟蹤方 式。通常這種慣性跟蹤系統可以對1至3個自由度的姿態進行跟蹤,精度 可以達到0.2。,解析度可以達到0.032°。
慣性跟蹤技術在微小運動載體運動跟蹤中的應用主要受制於它價格、 體積和重量。這些年MEMS技術取得了迅猛發展,目前整個微慣性測量 組合的尺寸僅為2cmx2cmx0.5cm,質量約5 g 。體積小、重量輕、成本低、 性能優越的微慣性測量組合器件的出現,使得採用慣性跟蹤技術進行微小 運動載體位姿跟蹤成為可能。目前已有一些相關的研究,但還剛剛起步,特別是將其用於手/臂運動跟蹤方面,還沒有相關的專利技術。
此外,就應用於微小型化的載體姿態測量系統來說,迫切需要具有實
時處理位置與姿態信息的集成化處理單元。ZigBee是部署無線傳感器網絡
的新技術,它是一種短距離、低速率無線網絡技術,是一種介於無線標記
技術與藍牙技術之間的技術。ZigBee—詞源自蜜蜂群在發現花粉位置時, 通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴,達到交換信息的目的,藉此稱呼一種 專注於低功耗、低成本、低複雜度、低速率的近程無線網絡通信技術。
基於ZigBee無線單片機除了能滿足微型慣性測量組合裝置實時進行 姿態解算算法的要求,還能提供與主機及其它傳感器節點間的無線通信, 並能組成具有多種網絡拓撲結構的無線傳感器網絡。這使得整個微型慣性 測量組合裝置的微型化、網絡化成為可能,而且大大降低了系統成本。
發明內容
(一) 要解決的技術問題
有鑑於此,本發明的主要目的在於克服現有慣性測量系統體積大、功 耗高、造價高等不足,提出一種具有精度高、功耗低、體積小、重量輕、 實時性好,且具有遠距離無線傳輸功能,基於ZigBee無線單片機的微慣 性測量裝置。
(二) 技術方案
為達到上述目的,本發明提供了一種基於ZigBee無線單片機的微慣 性測量裝置,其特徵在於,該裝置至少包括
六軸微慣性傳感器4,用於根據接收自信號板5中處理器模塊13的控 制指令採集三軸陀螺儀信號和三軸加速度計信號,並將採集的三軸陀螺儀 信號和三軸加速度計信號輸出給信號板5中處理器模塊13;
信號板5,用於控制六軸微慣性傳感器4採集三軸陀螺儀信號和三軸 加速度計信號,以及控制信號板5中三軸磁場計模塊12採集三軸磁場計 信號,並對採集的數據信號進行處理,然後進行捷聯解算,得到運到運動 載體的姿態和航向;以及
電池倉2,用於放置為該裝置供電的電池。上述方案中,所述六軸微慣性傳感器4通過SPI接口與信號板5中處 理器模塊13進行通訊,至少包括
三軸陀螺儀,用於根據接收自信號板5中處理器模塊13的控制指令 採集三軸陀螺儀信號,並將採集的三軸陀螺儀信號輸出給信號板5中處理
器模塊13;
三軸加速度計,用於根據接收自信號板5中處理器模塊13的控制指 令採集三軸加速度計信號,並將採集的三軸加速度計信號輸出給信號板5 中處理器模塊13。
上述方案中,所述六軸微慣性傳感器4進一步包括溫度補償模塊,
用於對六軸微慣性傳感器4產生的溫度漂移進行補償。
上述方案中,所述信號板5至少包括
電源管理模塊ll,用於實現電池管理、功率轉換和負載管理,對電池
倉2中的電池進行充電、保護以及電壓的轉換,以滿足不同負載的需求, 並加以隔離,以防止幹擾;
三軸磁場計模塊12,用於根據接收自處理器模塊13的控制指令採集 三軸磁場計信號,並將採集的三軸磁場計信號輸出給處理器模塊13;
處理器模塊13,用於控制六軸微慣性傳感器4採集三軸陀螺儀信號和 三軸加速度計信號,以及控制信號板5中三軸磁場計模塊12採集三軸磁 場計信號,並對採集的數據信號進行處理,然後進行捷聯解算,得到運到 運動載體的姿態和航向;
通訊模塊14,用於將處理器模塊13計算出的運動載體的姿態和航向 通過有線或者無線的方式進行打包傳送。
上述方案中,所述電源管理模塊11採用晶片MAX1874進行電池管理。
上述方案中,所述三軸磁場計模塊12包括
三軸磁阻傳感器,焊接在信號板5上,用於保證磁阻傳感器的四邊與 信號板的四邊平行;
信號差分放大模塊,用於對三軸磁阻傳感器輸出的模擬信號進行差分 放大處理,將信號調理到ADC的輸入範圍內輸出給處理器模塊13,供處 理器模塊13進行模數轉換。
上述方案中,所述三軸磁場計模塊12進一步包括置位復位模塊,用於在磁阻受到強磁場幹擾時,對磁阻施加一個瞬態強脈衝使得磁阻的特 性加以恢復,完成磁阻傳感器的置位和復位,防止磁阻傳感器在的薄膜磁 化極性在強磁場中遭到破壞;其中,瞬態強脈衝包括置位脈衝和復位脈衝, 置位脈衝使得磁阻元件重新正向排列,復位脈衝使得磁阻元件重新反向排 列。
上述方案中,所述處理器模塊13包括射頻晶片CC2430及其外圍電路, 以射頻晶片CC2430為處理器,通過SPI接口完成對六軸微慣性傳感器4 信號的採集,通過ADC模塊完成對三軸磁場計信號的採集,集成了ZigBee 射頻模塊、內存和微控制器,以8位MCU 8051為核心,具有128KB FLASH 和8KB RAM,至少包含模擬數字轉換ADC模塊、定時器模塊、看門狗模 塊和DMA控制器。
上述方案中,所述通訊模塊14包括
無線通訊模塊,用於實現該裝置與其他系統或者上位機之間的無線通
訊;
串口通訊模塊,用於實現該裝置與上位機之間的有線通訊,該裝置將 解算之後的數據通過串口上傳至上位機。
上述方案中,所述無線通訊模塊採用滿足IEEE 802.15.4的ZigBee無 線傳輸協議,該無線通訊模塊通過不平衡變壓器單端輸出至不平衡天線, 以保證天線的性能。
上述方案中,所述不平衡天線由電容Cl、電感Ll、 L2、 L3和PCB 傳輸線組成,整個結構滿足RP輸入/輸出阻抗匹配的要求。
上述方案中,該裝置進一步包括定位底板3和外殼1,其中,定位底 板3用於支撐和定位,六軸微慣性傳感器4和信號板5分別通過至少一對 定位銷固定於定位底板3之上;外殼1通過螺絲孔與定位底板3固定連接 在一起,將整個裝置封閉。
上述方案中,所述定位底板3由無鐵磁材料的鋁板加工而成,起支撐 和定位的作用,定位底板3上有兩對定位銷,其中一對(8-1,2)用於定位 六軸微慣性傳感器模塊4,另外一對(9-1,2)用於定位信號板5,以保證 六軸微慣性傳感器4中的三軸陀螺儀、三軸加速度計和信號板5中的三軸 磁阻傳感器的X軸、Y軸和Z軸能夠保持平行,降低由於安裝不準而帶來的誤差;定位底板3上進一步包含用於整個裝置安裝的定位孔(10-1,2,3,4), 用於整個裝置的固定。
上述方案中,所述外殼1由無鐵磁材料的鋁板加工而成,外殼1上包 含有用於放置天線的天線孔6和用於放MINI-USB接口的USB孔7,其中 天線孔6用於無線通訊,USB孔7用於串口通訊和外部供電。
上述方案中,所述電池倉2位於外殼1和定位底板3之間,放置的電 池為3.7V鋰電池,電池倉的後部有彈性裝置,便於電池的取出。
(三)有益效果 從上述方案可以看出,本發明具有以下有益效果
(1) 本發明採用全MEMS微慣性器件,與傳統的慣性測量系統相比, 具有精度高、功耗低、體積小、重量輕、實時性好等優點。
(2) 本發明除提供傳統的三軸轉速度、三軸加速度等信息外,還提 供三軸地磁場強度信息,是真正的9軸微慣性測量系統。
(3) 本發明所採用的六軸微慣性傳感器模塊是3軸陀螺儀和3軸加 速度計的集成模塊,既減少了多個單軸或雙軸微慣性測量系統在安裝時由 於無法保證敏感軸正交帶來的誤差,又由於能保證陀螺儀和加速度計兩個 測量系統的軸向平行,從而減少兩個系統測量數據的不一致性。
(4) 本發明所採用的磁場計是3軸慣性測量系統,減少了多個單軸
或雙軸微慣性測量系統在安裝時由於無法保證敏感軸正交帶來的誤差。
(5) 本發明除採用傳統的串口進行數據通訊外,還採用了基於ZigBee
技術的無線傳輸協議,便於和別的模塊組成具有多種網絡拓撲結構的無線 網絡,具有傳輸距離遠、網絡節點多、便於監控等特點。
(6) 由於本發明的功耗很低,因此可以採用電池供電,增強了系統 的可移動性。
圖1為本發明提供的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置的立 體結構示意圖2為本發明提供的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置的定位底板結構示意圖3為本發明提供的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置的六 軸微慣性傳感器模塊與處理器模塊的接口電路示意圖4為本發明提供的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置的信 號板結構示意圖5為本發明提供的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置的電 源管理模塊的電路接口示意圖6為本發明提供的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置的三 軸磁場計模塊的電路結構示意圖7為本發明提供的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置的三 軸磁場計模塊中置位復位電路的電路結構示意圖8為本發明提供的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置的三 軸磁場計模塊中置位復位脈衝的時序圖9為本發明提供的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置的串 口通訊模塊的電路結構示意圖10為本發明提供的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置的無 線通訊模塊的電路結構示意圖11為本發明提供的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置的系 統程序流程圖。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白,以下結合具體實 施例,並參照附圖,對本發明進一步詳細說明。
如圖1和圖2所示,本發明提供的這種基於ZigBee無線單片機的微 慣性測量裝置,至少包括六軸微慣性傳感器4、信號板5和電池倉2。
其中,六軸微慣性傳感器4用於根據接收自信號板5中處理器模塊13 的控制指令採集三軸陀螺儀信號和三軸加速度計信號,並將採集的三軸陀 螺儀信號和三軸加速度計信號輸出給信號板5中處理器模塊13。信號板5 用於控制六軸微慣性傳感器4採集三軸陀螺儀信號和三軸加速度計信號, 以及控制信號板5中三軸磁場計模塊12採集三軸磁場計信號,並對採集的數據信號進行處理,然後進行捷聯解算,得到運到運動載體的姿態和航 向。電池倉2用於放置為該裝置供電的電池。
另外,該裝置還可以進一步包括定位底板3和外殼1。其中,定位底
板3用於支撐和定位,六軸微慣性傳感器4和信號板5分別通過至少一對 定位銷固定於定位底板3之上。外殼1通過螺絲孔與定位底板3固定連接 在一起,將整個裝置封閉。
所述定位底板3由無鐵磁材料的鋁板加工而成,起支撐和定位的作用, 定位底板3上有兩對定位銷,其中一對(8-1,2)用於定位六軸微慣性傳感 器模塊4,另外一對(9-1,2)用於定位信號板5,以保證兩個模塊的X軸、 Y軸和Z軸能夠保持平行,降低由於安裝不準而帶來的誤差。定位底板3 上還進一步包含用於整個裝置安裝的定位孔(10-1,2,3,4),用於整個裝置 的固定。
所述外殼1由無鐵磁材料的鋁板加工而成,外殼1上包含有用於放置 天線的天線孔6和用於放MINI-USB接口的USB孔7,其中天線孔6用於 無線通訊,USB孔7用於串口通訊和外部供電。
所述電池倉2位於外殼1和定位底板3之間,放置的電池為3.7V鋰 電池,電池倉的後部有彈性裝置,便於電池的取出。
如圖3所示,本發明提供的這種基於ZigBee無線單片機的微慣性測 量裝置中的六軸微慣性傳感器4通過SPI接口與信號板5中處理器模塊13 進行通訊,至少包括陀螺儀和加速度計。
其中,陀螺儀用於根據接收自信號板5中處理器模塊13的控制指令 採集三軸陀螺儀信號,並將採集的三軸陀螺儀信號輸出給信號板5中處理 器模塊13。加速度計用於根據接收自信號板5中處理器模塊13的控制指 令採集三軸加速度計信號,並將採集的三軸加速度計信號輸出給信號板5 中處理器模塊13。
所述六軸微慣性傳感器4進一步包括溫度補償模塊,用於對六軸微慣 性傳感器4產生的溫度漂移進行補償。
由於很難保證安裝時的軸間正交及同軸平行,傳統的利用單軸或雙軸
的陀螺儀和加速度計的測量系統會帶來較大的誤差。本發明採用美國AD公司生產的ADIS16350微慣性傳感器作為系統的陀螺儀和加速度計, ADIS16350是一個包含3軸陀螺儀和3軸加速度計的6軸高精度微慣性傳 感器,其中3軸陀螺儀的測量範圍為±300°/、精度為士0'0"^/s/LSB, 3軸 加速度計的測量範圍為WOg,精度為土2'522,/LSB。 ADIS16350通過SPI 接口與處理器模塊相連,通過讀取相應寄存器可得到三軸陀螺儀和三軸加 速度計的值。另外,ADIS16350還包含精確的溫度補償模塊,可以對微慣
性傳感器產生的溫度漂移進行補償。
如圖4所示,本發明提供的這種基於ZigBee無線單片機的微慣性測 量裝置的信號板5至少包括電源管理模塊11、三軸磁場計模塊12、處理 器模塊13和通訊模塊14。
其中,電源管理模塊11用於實現電池管理、功率轉換和負載管理, 對電池倉2中的電池進行充電、保護以及電壓的轉換,以滿足不同負載的 需求,並加以隔離,以防止幹擾。
三軸磁場計模塊12用於根據接收自處理器模塊13的控制指令採集三 軸磁場計信號,並將採集的三軸磁場計信號輸出給處理器模塊13。
處理器模塊13用於控制六軸微慣性傳感器4採集三軸陀螺儀信號和 三軸加速度計信號,以及控制信號板5中三軸磁場計模塊12採集三軸磁 場計信號,並對採集的數據信號進行處理,然後進行捷聯解算,得到運到 運動載體的姿態和航向。
通訊模塊14,用於將處理器模塊13計算出的運動載體的姿態和航向 通過有線或者無線的方式進行打包傳送。
如圖5所示,本發明提供的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝 置的電源管理模塊11採用晶片MAX1874進行電池管理,完成對電池的充 電和保護等任務。MAX1874可以使用USB或電源適配器為單節鋰電池充 電,它包含一個完整的雙輸入線性充電器,可以控制電池的充電電壓和充 電電流,以保護鋰電池。功率轉換模塊將一節鋰電池3.5V-4.2V的輸出電 壓,降壓或者升壓轉換成設備工作所需的+3.3V、 +5丫+12丫電壓,以滿足 不同負載的需要。其中+3.3V電壓為以射頻晶片CC2430為核心的處理器模塊供電,+5¥電壓為6軸微慣性傳感器和磁場計模塊供電,十12V電壓
為磁場計的置位復位模塊供電。+3.3V和+ 5V電壓的最大供電電流為 150mA, +12¥電壓的最大供電電流為3011^,滿足各種負載的要求。
如圖6所示,本發明提供的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝 置的三軸磁場計模塊12包括三軸磁阻傳感器和信號差分放大模塊。其中, 三軸磁阻傳感器焊接在信號板5上,用於保證磁阻傳感器的四邊與信號板 的四邊平行。信號差分放大模塊用於對三軸磁阻傳感器輸出的模擬信號進 行差分放大處理,將信號調理到ADC的輸入範圍內輸出給處理器模塊13, 供處理器模塊13進行模數轉換。
為了避免單軸磁場計由於安裝精度無法保證而帶來的誤差,系統採用 HoneyWeIl公司生產的3軸磁阻傳感器HMC1043。該傳感器的測量範圍為 -6gaUSS-+6gaUSS,測量靈敏度為"mV/V/gauss。三軸磁阻傳感器釆用霍尼 韋爾的各向異性磁阻(AMR)技術組成惠斯通電橋,當向電橋供電時,傳 感器把傳感軸方向的入射磁場強度轉換成差動電壓輸出,經差動放大器將 信號進行放大,並調理至處理器模塊ADC的採樣範圍內。
由於製作工藝的誤差,惠斯通電橋上每個各向異性磁阻在零磁場下的 電阻也不盡相同,因此在零磁場下,電橋的每半個電橋的輸出也不盡相同, 有一定的偏置電壓。本發明中採用軟體的方法來消除偏置。
系統採用+5V電壓為磁阻傳感器供電,傳感器的靈敏度為 l-OmV/V/gauss,設地磁場的最大值為0.5gauss,則在最大地磁場下,電橋
的輸出為
formula see original document page 14傳感器的電橋偏置為^JmV/V,則電橋的偏置輸出為 F。# =±0.5*5 = ±2.5mV
則電橋輸出的實際範圍為 巳=±5mV
射頻晶片CC2430中的ADC模塊的採樣範圍為0至2.5V,採樣分辨 率為14位,轉換速率為7.6ksps,系統選用的差動放大器為AD623,基準電壓為1.25V,放大倍數為250 (該放大倍數按照標準值計算所得,實際
情況會有所調整)。
如圖7所示,本發明提供的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝 置的三軸磁場計模塊12進一步包括置位復位模塊,該置位復位模塊用於 在磁阻受到強磁場幹擾時,對磁阻施加一個瞬態強脈衝使得磁阻的特性加 以恢復,完成磁阻傳感器的置位和復位,防止磁阻傳感器在的薄膜磁化極 性在強磁場中遭到破壞;其中,瞬態強脈衝包括置位脈衝和復位脈衝,置 位脈衝使得磁阻元件重新正向排列,復位脈衝使得磁阻元件重新反向排 列。
在三軸磁場計模塊12中加入置位復位模塊是因為當磁阻受到強磁場 幹擾時,磁阻的磁化極性會受到破壞,傳感器特性也會改變,這時需要對 磁阻施加一個瞬態的強脈衝電流來使得磁阻的特性加以恢復。其中,置位 脈衝使得磁阻元件重新正向排列,而復位脈衝則使得磁阻元件重新反向排 列。置位和復位脈沖由射頻晶片CC2430產生,其脈衝時序如圖8所示。 +12V的電壓由電源管理模塊的晶片MAX662A產生,三極體9014與電阻 Rl, R2構成反相器。當SET脈衝為低電平,RESET脈衝為高電平時, HEXFET驅動器IRF7106的N通道導通,P通道截至,施加在S/R+端(即 置位復位帶)的電壓為O。當SET脈衝的上升沿到來時,IRF7106的P通 道導通,+12V電壓通過P通道向電容C充電,在S/R+端有幅值為+12V 的脈衝產生,脈衝的寬度取決於C和置位復位帶的電阻,該脈衝用於磁阻 傳感器的置位。當SET脈衝的下降沿到來時,IRF7106的N通道導通,P 通道截至,電容C通過N通道向置位復位帶放電,在S/R+端有幅值為-12V 的脈衝產生,該脈衝用於磁阻傳感器的復位。傳感器置位復位帶的標稱電 阻為2.5歐,則置位復位電流為4.8A。
為了消除偏置電壓,系統採取軟體來消除偏置。由於傳感器的磁阻元 件在置位和復位之後的排列方向相反,因此系統在置位脈衝到來之後進行 一次採樣,在復位脈衝到來之後再進行一次採樣,兩次採樣的結果相加, 即為偏置電壓的兩倍。
所述處理器模塊13包括射頻晶片CC2430及其外圍電路,以射頻晶片 CC2430為處理器,通過SPI接口完成對六軸微慣性傳感器4信號的採集,通過ADC模塊完成對三軸磁場計信號的採集,集成了 ZigBee射頻模塊、 內存和微控制器,以8位MCU 8051為核心,具有128KB FLASH和8KB RAM,至少包含模擬數字轉換ADC模塊、定時器模塊、看門狗模塊和 DMA控制器等。本發明提供的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置, 利用該處理器完成三軸陀螺儀信號、三軸加速度計信號以及三軸磁場計信 號的採集,並對採集的數據進行處理,然後進行捷聯解算,以得到運到運 動載體的姿態和航向。
所述通訊模塊14包括無線通訊模塊和串口通訊模塊。其中,無線通 訊模塊,用於實現該裝置與其他系統或者上位機之間的無線通訊。串口通 訊模塊,用於實現該裝置與上位機之間的有線通訊,該裝置將解算之後的 數據通過串口上傳至上位機。串口通訊模塊的結構和功能如圖9所示。
如圖IO所示,本發明的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置的 無線通訊模塊採用滿足正EE 802.15.4的ZigBee無線傳輸協議,利用該協 議,系統可以與別的模塊組成網狀或串狀網絡等多種網絡拓撲結構,傳輸 速率為250kbps,傳輸距離為百米左右。該無線通訊模塊通過不平衡變壓 器單端輸出至不平衡天線,以保證天線的性能,不平衡天線由電容C1、 電感L1、 L2、 L3和PCB傳輸線組成,整個結構滿足RF輸入/輸出阻抗匹 配的要求。
如圖ll所示,本發明的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置的 主程序流程。為了保證系統的實時性,系統採用中斷方式進行數據採集, 當相應的中斷發生時,系統通過中斷應答,並在中斷服務程序中進行數據 採集或數據傳送。主程序主要負責數據處理的工作。數據處理主要分為數 據濾波和捷聯解算。其中數據濾波分為兩部分,第一部分是限幅濾波,用 於剔除因偶然因素引起的脈衝幹擾,第二部分是滑動濾波,用於抑制周期 性的幹擾,並進行數據平滑。濾波之後的數據進行捷聯解算,得到運動載 體的姿態和航向,並將此數據加以保存,並進行下一次的主程序計算。
以上所述的具體實施例,對本發明的目的、技術方案和有益效果進行 了進一步詳細說明,所應理解的是,以上所述僅為本發明的具體實施例而 已,並不用於限制本發明,凡在本發明的精神和原則之內,所做的任何修 改、等同替換、改進等,均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1、一種基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置,其特徵在於,該裝置至少包括六軸微慣性傳感器(4),用於根據接收自信號板(5)中處理器模塊(13)的控制指令採集三軸陀螺儀信號和三軸加速度計信號,並將採集的三軸陀螺儀信號和三軸加速度計信號輸出給信號板(5)中處理器模塊(13);信號板(5),用於控制六軸微慣性傳感器(4)採集三軸陀螺儀信號和三軸加速度計信號,以及控制信號板(5)中三軸磁場計模塊(12)採集三軸磁場計信號,並對採集的數據信號進行處理,然後進行捷聯解算,得到運到運動載體的姿態和航向;以及電池倉(2),用於放置為該裝置供電的電池。
2、 根據權利要求1所述的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置, 其特徵在於,所述六軸微慣性傳感器(4)通過SPI接口與信號板(5)中 處理器模塊(13)進行通訊,至少包括三軸陀螺儀,用於根據接收自信號板(5)中處理器模塊(13)的控 制指令採集三軸陀螺儀信號,並將採集的三軸陀螺儀信號輸出給信號板 (5)中處理器模塊(13);三軸加速度計,用於根據接收自信號板(5)中處理器模塊(13)的 控制指令採集三軸加速度計信號,並將採集的三軸加速度計信號輸出給信 號板(5)中處理器模塊(13)。
3、 根據權利要求2所述的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置, 其特徵在於,所述六軸微慣性傳感器(4)進一步包括溫度補償模塊,用於對六軸微慣性傳感器(4)產生的溫度漂移進行 補償。
4、 根據權利要求1所述的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置, 其特徵在於,所述信號板(5)至少包括電源管理模塊(11),用於實現電池管理、功率轉換和負載管理,對 電池倉(2)中的電池進行充電、保護以及電壓的轉換,以滿足不同負載的需求,並加以隔離,以防止幹擾;三軸磁場計模塊(12),用於根據接收自處理器模塊(13)的控制指 令採集三軸磁場計信號,並將釆集的三軸磁場計信號輸出給處理器模塊 (13);處理器模塊(13),用於控制六軸微慣性傳感器(4)採集三軸陀螺儀 信號和三軸加速度計信號,以及控制信號板(5)中三軸磁場計模塊(12) 採集三軸磁場計信號,並對採集的數據信號進行處理,然後進行捷聯解算, 得到運到運動載體的姿態和航向;通訊模塊(14),用於將處理器模塊(13)計算出的運動載體的姿態 和航向通過有線或者無線的方式進行打包傳送。
5、 根據權利要求4所述的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置, 其特徵在於,所述電源管理模塊(11)採用晶片MAX1874進行電池管理。
6、 根據權利要求4所述的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置, 其特徵在於,所述三軸磁場計模塊(12)包括三軸磁阻傳感器,焊接在信號板(5)上,用於保證磁阻傳感器的四 邊與信號板的四邊平行;信號差分放大模塊,用於對三軸磁阻傳感器輸出的模擬信號進行差分 放大處理,將信號調理到ADC的輸入範圍內輸出給處理器模塊(13),供 處理器模塊(13)進行模數轉換。
7、 根據權利要求6所述的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置, 其特徵在於,所述三軸磁場計模塊(12)進一步包括置位復位模塊,用於在磁阻受到強磁場幹擾時,對磁阻施加一個瞬態 強脈衝使得磁阻的特性加以恢復,完成磁阻傳感器的置位和復位,防止磁 阻傳感器在的薄膜磁化極性在強磁場中遭到破壞;其中,瞬態強脈衝包括 置位脈衝和復位脈衝,置位脈衝使得磁阻元件重新正向排列,復位脈衝使 得磁阻元件重新反向排列。
8、 根據權利要求4所述的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置, 其特徵在於,所述處理器模塊(13)包括射頻晶片CC2430及其外圍電路, 以射頻晶片CC2430為處理器,通過SPI接口完成對六軸微慣性傳感器(4) 信號的採集,通過ADC模塊完成對三軸磁場計信號的採集,集成了 ZigBee射頻模塊、內存和微控制器,以8位MCU 8051為核心,具有128KB FLASH 和8KB RAM,至少包含模擬數字轉換ADC模塊、定時器模塊、看門狗模 塊和DMA控制器。
9、 根據權利要求4所述的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置, 其特徵在於,所述通訊模塊(14)包括無線通訊模塊,用於實現該裝置與其他系統或者上位機之間的無線通訊;串口通訊模塊,用於實現該裝置與上位機之間的有線通訊,該裝置將 解算之後的數據通過串口上傳至上位機。
10、 根據權利要求9所述的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝 置,其特徵在於,所述無線通訊模塊採用滿足正EE 802.15.4的ZigBee無 線傳輸協議,該無線通訊模塊通過不平衡變壓器單端輸出至不平衡天線, 以保證天線的性能。
11、 根據權利要求10所述的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝 置,其特徵在於,所述不平衡天線由電容Cl、電感L1、 L2、 L3禾n PCB 傳輸線組成,整個結構滿足RF輸入/輸出阻抗匹配的要求。
12、 根據權利要求1所述的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝 置,其特徵在於,該裝置進一步包括定位底板(3)和外殼(1),其中, 定位底板(3)用於支撐和定位,六軸微慣性傳感器(4)和信號板(5) 分別通過至少一對定位銷固定於定位底板(3)之上;外殼(1)通過螺絲 孔與定位底板(3)固定連接在一起,將整個裝置封閉。
13、 根據權利要求12所述的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝 置,其特徵在於,所述定位底板(3)由無鐵磁材料的鋁板加工而成,起 支撐和定位的作用,定位底板(3)上有兩對定位銷,其中一對(8-1,2) 用於定位六軸微慣性傳感器模塊(4),另外一對(9-1,2)用於定位信號板(5),以保證六軸微慣性傳感器(4)中的三軸陀螺儀、三軸加速度計和 信號板(5)中的三軸磁阻傳感器的X軸、Y軸和Z軸能夠保持平行,降 低由於安裝不準而帶來的誤差;定位底板(3)上進一步包含用於整個裝 置安裝的定位孔(10-1,2,3,4),用於整個裝置的固定。
14、 根據權利要求12所述的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置,其特徵在於,所述外殼(1)由無鐵磁材料的鋁板加工而成,外殼(1)上包含有用於放置天線的天線孔(6)和用於放MINI-USB接口的USB孔 (7),其中天線孔(6)用於無線通訊,USB孔(7)用於串口通訊和外部 供電。
15、根據權利要求12所述的基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝 置,其特徵在於,所述電池倉(2)位於外殼(1)和定位底板(3)之間, 放置的電池為3.7V鋰電池,電池倉的後部有彈性裝置,便於電池的取出。
全文摘要
本發明公開了一種基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置,至少包括六軸微慣性傳感器,用於根據接收自信號板中處理器模塊的控制指令採集三軸陀螺儀信號和三軸加速度計信號,並將採集的三軸陀螺儀信號和三軸加速度計信號輸出給信號板中處理器模塊;信號板,用於控制六軸微慣性傳感器採集三軸陀螺儀信號和三軸加速度計信號,以及控制信號板中三軸磁場計模塊採集三軸磁場計信號,並對採集的數據信號進行處理,然後進行捷聯解算,得到運到運動載體的姿態和航向;以及電池倉,用於放置為該裝置供電的電池。本發明基於ZigBee無線單片機的微慣性測量裝置,具有精度高、功耗低、體積小、重量輕、實時性好的優點,且具有遠距離無線傳輸功能。
文檔編號G01C21/18GK101598555SQ20081011439
公開日2009年12月9日 申請日期2008年6月4日 優先權日2008年6月4日
發明者李劍鋒, 杜清秀 申請人:中國科學院自動化研究所