CN111693019B - 一种姿态传感装置及数据融合、姿态解算方法 - Google Patents

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Abstract

一种姿态传感装置及数据融合、姿态解算方法，首先通过姿态数据采集模块采集姿态数据，并将采集的姿态数据采集模块传输给MCU；MCU对接受到的姿态数据发送给MPL库；通过MPL库解算，得到解算后的俯仰角、翻滚角以及航向角；对航向角值隔20s进行一次采样，将每次采样后的航向角与标定值进行作差，并将所有差值进行累加，得到累加值；将实时采集的航向角的值减去累加值，得到校准后的航向角，完成姿态的更新。本发明基于运动数字处理引擎的数据融合、姿态解散方法，可有效抑制航向角的零漂和温漂，精度可达0.1°。

Description

一种姿态传感装置及数据融合、姿态解算方法
技术领域
本发明涉及一种姿态传感装置及数据融合、姿态解算方法。
背景技术
MEMS惯性传感器在消费类电子以及工业级军工级电子中有着广泛的应用。惯性传感器包括加速度计、陀螺仪以及磁传感器的姿态参考系统。目前，姿态传感装置多采用六轴MEMS惯性传感器，包括三轴加速度计和三轴陀螺仪；或者九轴MEMS惯性传感器，包括三轴加速度计、三轴陀螺仪以及三轴磁力计。姿态传感装置能够输出翻滚角、俯仰角以及航向角，但是航向角的零漂以及温漂未能很好的解决，从而导致姿态传感装置的精度较低。同时，姿态传感装置对外只有电源接口、通信接口，无法进行程序的在线升级。因此，需要设计一种能够实现程序在线升级的姿态传感装置，改进姿态解算算法，抑制航向角零漂和温漂，提高精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种姿态传感装置及数据融合、姿态解算方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种姿态传感装置，包括MCU、姿态数据采集模块与姿态数据存储模块；
其中，姿态数据采集模块用于采集姿态数据，并将姿态数据发送给MCU；
MCU用于接收姿态数据采集模块发送的姿态数据，并对姿态数据的处理，实现数据融合、姿态解算；
姿态数据存储模块与MCU相连，用于存储姿态数据。
本发明进一步的改进在于，姿态数据存储模块包括flash存储芯片，flash存储芯片通过通讯接口与MCU进行数据通信。
本发明进一步的改进在于，姿态数据采集模块为MEMS惯性传感器，包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计以及运动数字处理引擎，通过通讯接口与MCU进行数据通讯。
本发明进一步的改进在于，姿态数据包括俯仰角、翻滚角与航向角。
本发明进一步的改进在于，还包括电源模块，电源模块与MCU、姿态数据采集模块、姿态数据存储模块以及姿态数据通信模块均相连。
本发明进一步的改进在于，姿态数据通讯模块由一路RS485组成，用于MCU对外输出姿态数据。
一种采用上述的姿态传感装置的数据融合、姿态解算方法，包括以下步骤：
步骤一：首先，通过姿态数据采集模块采集姿态数据，并将采集的姿态数据采集模块传输给MCU；
步骤二：判断上位机是否有读写命令，如果有，MCU处理上位机命令；如果没有，则MCU对接受到的姿态数据进行更新；
更新姿态数据的具体过程如下：
第一步：对MEMS惯性传感器进行标定，得到标定值；将MCU更新接收到的俯仰角、翻滚角与航向角发送给MPL库；
第二步：通过MPL库解算，得到解算后的俯仰角、翻滚角以及航向角；
第三步：对航向角值隔20s进行一次采样，将每次采样后的航向角与标定值进行作差，并将所有差值进行累加，得到累加值；
第四步，将实时采集的航向角的值减去累加值，得到校准后的航向角，完成姿态的更新。与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明通过设置MCU、姿态数据采集模块与姿态数据存储模块，姿态数据采集模块(2)采集姿态数据，并将姿态数据发送给MCU，MCU对姿态数据采集模块发送的姿态数据进行更新，实现数据融合、姿态解算；本发明的装置结构简单，易于实现，同时具有体积小、成本低的优点，皮实耐用。
本发明中首先通过姿态数据采集模块采集姿态数据，并将采集的姿态数据采集模块传输给MCU；MCU对接受到的姿态数据发送给MPL库；通过MPL库解算，得到解算后的俯仰角、翻滚角以及航向角；对航向角值隔20s进行一次采样，将每次采样后的航向角与标定值进行作差，并将所有差值进行累加，得到累加值；将实时采集的航向角的值减去累加值，得到校准后的航向角，完成姿态的更新。本发明可用于消费类电子以及工业控制领域，基于DMP以及定时器校正的数据融合、姿态解算方法，可有效抑制航向角的零漂和温漂能够使俯仰角、航向角、翻滚角的精度达到0.1°。
附图说明
图1是本发明的装置总体结构图；
图2是本发明的数据融合、姿态解算的算法流程图。
图中，1为MCU，2为姿态数据采集模块，3为姿态数据存储模块，4为姿态数据通信模块，5为电源模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
请参阅图1所示，本发明一种姿态传感装置，包括MCU 1、姿态数据采集模块2、姿态数据存储模块3、姿态数据通信模块4以及电源模块5。
其中，MCU 1作为主控单元，用于接收姿态数据采集模块发送的姿态数据，并实现对姿态数据的处理,实现数据融合、姿态解算。
姿态数据采集模块2为MEMS惯性传感器，包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计以及运动数字处理引擎，通过通讯接口与MCU进行数据通讯。
姿态数据采集模块2用于采集姿态数据，并将姿态数据发送给MCU。姿态数据包括俯仰角、翻滚角与航向角。
电源模块5为MCU 1、姿态数据采集模块2、姿态数据存储模块3以及姿态数据通信模块4所有模块单元提供稳定可靠的电源，实现系统的正常的运行。
姿态数据存储模块3与MCU相连，用于存储姿态数据；姿态数据存储模块3包括flash存储芯片，通过通讯接口与MCU进行数据通信。
姿态数据通讯模块4由一路RS485组成，作为MCU对外输出姿态数据的通讯接口，同时也作为在线升级的通讯接口。
电源模块5与MCU 1、姿态数据采集模块2、姿态数据存储模块3以及姿态数据通信模块4均相连，提供稳定可靠的电源，实现系统的正常的运行。
请参阅图2，基于上述姿态传感装置的数据融合、姿态解算方法，具体过程如下：
步骤一：首先，初始化RS485通讯接口；通过姿态数据采集模块采集姿态数据，并将采集的姿态数据采集模块传输给MCU；
步骤二：判断上位机是否有读写命令，如果有，MCU处理上位机命令；如果没有，则MCU更新接收到的姿态数据，刷新寄存器。
更新姿态数据的工作步骤如下：
第一步：对MEMS惯性传感器进行标定，得到标定值；
姿态数据包括三轴加速度计原始数据、三轴陀螺仪原始数据、三轴磁力计原始数据；将MCU更新接收到的三轴加速度计原始数据、三轴陀螺仪原始数据、三轴磁力计原始数据发送给MPL库。
第二步：读取MPL库解算后的俯仰角、翻滚角以及航向角；
第三步：对航向角值每隔20s进行一次采样，将每次采样后的航向角与标定值进行作差，并将所有差值进行累加，得到累加值；装置正常运行着时，对航向角值每隔20s进行一次采样，采样过程是持续不间断的。
第四步，将实时采集的航向角的值减去累加值，得到校准后的航向角，完成姿态的更新。
本发明可实现装置在不断电的情况下利用现有通讯接口实现更新姿态数据的方法在线升级，方便了装置的使用维护，提高了效率。使用三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计做九轴数据融合，同时使用定时器对航向角的零漂、温漂进行校正，使姿态传感装置的精度达到了0.1°。

Claims (6)

1.一种数据融合、姿态解算方法，其特征在于，采用姿态传感装置，姿态传感装置包括MCU（1）、姿态数据采集模块（2）与姿态数据存储模块（3）；
其中，姿态数据采集模块（2）用于采集姿态数据，并将姿态数据发送给MCU（1）；
MCU（1）用于接收姿态数据采集模块发送的姿态数据，并对姿态数据的处理，实现数据融合、姿态解算；
姿态数据存储模块（3）与MCU相连，用于存储姿态数据；
包括以下步骤：
步骤一：首先，通过姿态数据采集模块采集姿态数据，并将采集的姿态数据采集模块传输给MCU；
步骤二：判断上位机是否有读写命令，如果有，MCU处理上位机命令；如果没有，则MCU对接受到的姿态数据进行更新；
更新姿态数据的具体过程如下：
第一步：对MEMS惯性传感器进行标定，得到标定值；将MCU更新接收到的俯仰角、翻滚角与航向角发送给MPL库；
第二步：通过MPL库解算，得到解算后的俯仰角、翻滚角以及航向角；
第三步：对航向角值隔20s进行一次采样，将每次采样后的航向角与标定值进行作差，并将所有差值进行累加，得到累加值；
第四步，将实时采集的航向角的值减去累加值，得到校准后的航向角，完成姿态的更新。
2.根据权利要求1所述的一种数据融合、姿态解算方法，其特征在于，姿态数据存储模块（3）包括flash存储芯片，flash存储芯片通过通讯接口与MCU进行数据通信。
3.根据权利要求1所述的一种数据融合、姿态解算方法，其特征在于，姿态数据采集模块（2）为MEMS惯性传感器，包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计以及运动数字处理引擎，通过通讯接口与MCU进行数据通讯。
4.根据权利要求1所述的一种数据融合、姿态解算方法，其特征在于，姿态数据包括俯仰角、翻滚角与航向角。
5.根据权利要求1所述的一种数据融合、姿态解算方法，其特征在于，还包括电源模块（5），电源模块（5）与MCU（1）、姿态数据采集模块（2）、姿态数据存储模块（3）以及姿态数据通信模块（4）均相连。
6.根据权利要求1所述的一种数据融合、姿态解算方法，其特征在于，姿态数据通讯模块（4）由一路RS485组成，用于MCU（1）对外输出姿态数据。
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激光陀螺捷联惯性导航系统中整周期采样的修正研究;严恭敏等;《传感器学报》;20180630;第21卷(第6期);999-1001 *
电子罗盘的航向参数的修正;耿大孝;《计算机与网络》;20150531(第9期);51-52 *
磁力计校准方法研究;马博文;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20190415(第04期);C042-1717 *

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