作者 張文瑞 張丕狀 中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室(山西 太原 030051)

張文瑞(1991-)，女，碩士生，研究方向：信號處理;張丕狀，男，教授，博士，研究方向：信號與信息處理、嵌入式、慣性導航技術等。

摘要：本文構(gòu)建了以MPU6050傳感器為核心的數(shù)字采集系統(tǒng)，實時采集得到三軸陀螺儀和三軸加速度計隨直徑為25cm轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一周的運動數(shù)據(jù)，基于四元素的姿態(tài)更新算法描繪其運動軌跡;為驗證算法的正確性，分析了傳感器在轉(zhuǎn)臺上的運動過程，通過計算機仿真模擬上述運動，得到傳感器輸出數(shù)據(jù)，仍通過上述算法解算運動軌跡。仿真出運動軌跡確實近似是直徑為25cm的圓，從而驗證了此算法的準確性。此外，通過對比仿真軌跡結(jié)果和實際數(shù)據(jù)解算運動軌跡，發(fā)現(xiàn)由于運動時間延長，陀螺漂移和積分累積誤差對軌跡測量的精度有著不可忽視的影響;MPU6050傳感器精度太低，適用于短時間低速運動或微小旋轉(zhuǎn)角度場合。

引言

　　現(xiàn)如今，在慣性測量領域已經(jīng)廣泛運用MEMS技術進行加速度、速度以及位移的測量控制，如：測量人體某個部位的運動狀態(tài)^[1]，飛行器某時刻的姿態(tài)信息、軌跡航向[2]等。查閱國內(nèi)外許多參考文獻發(fā)現(xiàn)，對MEMS傳感器的各種應用，人們還在不斷地探索，未來五到十年應該是該領域高速發(fā)展的又一新階段^[3]。例如香港大學的學者們在致力于研究一種基于MEMS慣性傳感器的電子筆，它可以無接觸地重構(gòu)出筆端的運動軌跡;德國慕尼黑大學的學者們也在試圖利用這種 MEMS慣性單元識別出載體的運動軌跡^[4-6];國內(nèi)國防科技大學、中國計量學院也都在積極地做這方面的研究^[7-8]。

　　由于受MEMS傳感器精度的影響，現(xiàn)有的研究成果普遍存在著軌跡重構(gòu)的精度不夠高，姿態(tài)誤差隨時間積累效應明顯等缺點，為探究傳感器精度對軌跡重構(gòu)的影響程度，本文嘗試利用低精度傳感器MPU6050重構(gòu)物體運動軌跡。通過仿真模擬傳感器裝置在轉(zhuǎn)臺上運動情況，對比仿真結(jié)果和實測結(jié)果，分析影響實測結(jié)果的主要因素。

　　研究思路如下：在直徑為25cm，順時針方向旋轉(zhuǎn)的低速轉(zhuǎn)臺上按如下安裝方式將傳感器裝置盡量水平安裝在轉(zhuǎn)臺上，并隨轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一周，利用相關算法描繪運動軌跡。為驗證算法的正確性，模擬了傳感器在轉(zhuǎn)臺上運動時三軸加速度和角速度輸出，仿真其運動軌跡。

　　MPU6050傳感器相關技術指標如下：

　　1)加速度傳感器技術指標：初始標定誤差：±3%; 零偏輸出：X、Y軸：±50 mg，Z軸：±80 mg。

　　2)陀螺儀傳感器技術指標： 初始標定誤差：±3%;零偏輸出：±20°/s(溫度25℃)。

　　筆者曾對影響加速度傳感器精度的一些指標(如加速度計的零偏和標度因子)運用六位置法^[9]進行加速度計靜態(tài)校準，結(jié)果：X軸零偏誤差縮小到22.5mg，標度因子誤差縮小在-0.15%～0.5%;Y軸零偏誤差縮小到8.2mg，標度因子誤差縮小在0.25%～1.3%;Z軸零偏誤差縮小到37.83 mg，標度因子誤差縮小在-1.85%～0.43%，相比上述技術指標，傳感器精度明顯得到改善。此外，運用論文[10]里提到的橢球擬合法對安裝過程中存在的非正交誤差角做了相關校準和補償，能有效減小加速度計的非正交誤差對傳感器測量誤差的影響。

1 轉(zhuǎn)臺實驗研究方法和仿真?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)生成

1.1 轉(zhuǎn)臺實驗研究方法

　　實驗中，轉(zhuǎn)臺以順時針方向旋轉(zhuǎn)，依靠電機驅(qū)動，獲得運動角速度，通過計算得到角加速度近似為0.37 rad/s2。傳感器Z軸沿豎直方向向上，X軸指向轉(zhuǎn)臺圓心，Y軸沿運動方向。理想情況下，傳感器Z軸角速度即為轉(zhuǎn)臺角速度，另兩軸無角速度;但由于傳感器裝置在轉(zhuǎn)臺上的安裝并非水平，使得傳感器各軸與轉(zhuǎn)臺平面存在微小的傾角，導致轉(zhuǎn)臺角速度和傳感器Z軸角速度并不完全一致。從運動學合成和分解的角度出發(fā)，傳感器各軸角速度輸出是由轉(zhuǎn)臺角速度提供，即轉(zhuǎn)臺角速度矢量在傳感器三軸的分量即為其瞬時角速度輸出。圖1給出了簡易轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)裝置的俯視圖。