基于ARM的微型航姿参考系统设计与实现

摘要：针对微小型无人飞行器的控制需要精度高、体积小、功耗低的姿态信息模块，介绍了一种基于MEMS器件与ARM控制器的微型航向姿态参考系统(AHRS)，包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计和气压高度计，采用四元数法进行姿态解算并给出了磁航向校正的方法，采用LabWindows/CVI开发了上位机界面，能够完成对其输出信号进行实时显示，实际测试中达到较为满意的效果。

航向姿态参考系统(Attitude and Heading Reference System，AHRS)是一套由惯性测量元件(IMU)和地磁传感器组成的三自由度姿态测量单元，能够提供航向、横滚和侧翻等姿态信息，可实现动态环境下载体实时姿态航向控制。它是微小型飞行器能够按预定轨迹进行自主巡航的基础环节，也直接影响着微小型飞行器执行任务的效果，尤其是在起飞、降落阶段，航姿系统工作不正常，会对飞行安全造成重大威胁。由于微小型飞行器系统对体积、重量、功耗、成本的特殊要求，传统的大中型飞行器上的庞大、昂贵的陀螺航向仪、无线电航向仪和磁力计等航向测量设备将不再适用，相应的航向控制策略也无法实现，因而需要研制基于低成本、低功耗、微小器件的航姿系统。

与惯性测量单元(IMU)相比，航姿参考系统(AHRS)包含了嵌入式的姿态数据解算单元与航向信息，主控制器只需通过串口读取所需数据，这样就大大减轻了主控制器的计算量及任务量。本文提出了一种低成本的、实用的、基于四元数的姿态获取方法，最后通过试验对本设计的可靠性进行了验证。

1 总体设计

系统结构图如图1所示，利用加速度计、陀螺仪测量微小型飞行器的空间三轴加速度、角速度，磁力传感器可以测量因姿态变化而造成的磁场在其各测量轴上强度的变化，从而获得偏航角，高度计感知大气压的变化而得到相对高度。所有数据由主控芯片通过I2C总线采集。

对于数据处理部分，本文简单介绍了姿态解算原理与方法，从四元数、方向余弦矩阵及欧拉角的关系着手，并给出了四元数运动学微分方程及其解法，从理论上阐明了该方案的可行性。

2 系统硬件设计

系统主控制芯片选用超小型封装、Cortex—M3内核的STM32F103T8，具有64KB Flash，20KB Rom，7通道DMA，7个定时器，可倍频至72 MHz，基本满足姿态解算所需的处理能力。各传感器的数据中断引脚与ARM控制器的IO相连，通过I2C总线，主控芯片可以在第一时间读取各个传感器完成AD转换后的数据，快速响应姿态变化。同时引出了SWD调试接口，该接口只需4条线就可以对STM32F内核进行仿真调试，相对于常用的JTAG接口节节省了不少空间。

MPU—6050为全球首例整合性6轴运动处理组件，相对于多组件方案，有效避免了组合陀螺仪与加速器时之轴间安装误差的问题，节省了安装空间。MPU一6050的角速率量程为±250、±500、±1 000与±2 000°/s，可准确跟随快、慢动作。加速度测量范围为±2 g、±4 g、±8 g与±16 g。内部自带16位的数字温度传感器，方便对传感器进行温度补偿。高达400 kHz的I2C总线可保证系统测量的实时性。

HMC5883L包含最先进的高分辨率HMC118X系列磁阻传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路，包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准，使输出精度控制在1°～2°。12位I2C总线数字量输，测量范围为±1～8 Gs，满足地磁场的测量要。

BMP180是一款高精度、超低功耗的压力传感器，压力范围300～1 100 hPa(海拔9 000～500 m)，低功耗模式下分辨率为0.06 hPa(0.5 m)，高线性模式下，最小分辨率为0.03 hPa(0.25 m)。

系统实物图如图2所示，外形尺寸为39*28 mm，具有微型化的特点。

3 姿态解算原理与方法

常用的姿态解算方法有欧拉角法、方向余弦法、四元数法等。由于欧拉角法存在奇点，四元数取代方向余弦阵来描述姿态变化具有计算量小、精度高等优点，而且它既代表一个转动，又可作为变换算子，因而被广泛应用于陀螺实用理论、捷联式惯性导航、机器人技术、多体系统力学及人造卫星姿态角控制领域中。

假设某一坐标系相对另一固定坐标系的转动可看作是该坐标系围绕某一转轴进行了旋转，用u表示之一转轴，旋转了θ角，则转动后的结果可用用四元数描述：

3.1 四元数、方向余弦矩阵及欧拉角的关系

四元数将三维空间和四维空间联系起来，从而可以用四元数理论研究刚体的定点旋转问题。因此，把机体坐标系和导航坐标系的三维矢量扩展成四维，即

在进行坐标的旋转变换时，原坐标系通常是相对固定坐标系做了多次旋转，可以将所有单次旋转形成的结果看作是首次与末