簡易陀螺儀慣性制導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計
引言
慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一門涉及精密機械、計算機技術(shù)、微電子、 光學(xué)、自動控制、材料等多種學(xué)科和領(lǐng)域的綜合技術(shù)叫應(yīng) 用需求的增長是導(dǎo)航技術(shù)拓展新方向的源動力,現(xiàn)代科技的 蓬勃發(fā)展支撐著慣性傳感器技術(shù)的不斷進步,推動著慣性導(dǎo) 航技術(shù)應(yīng)用于更寬廣的領(lǐng)域。而陀螺儀作為一種重要的慣性 敏感器,是構(gòu)成INS (Inertial Navigation System)的基礎(chǔ)核心 器件,INS的性能在很大程度上取決于陀螺儀的性能。因此, 隨著陀螺儀等慣性器件的完善,以慣性導(dǎo)航為基礎(chǔ)的組合導(dǎo)航 系統(tǒng)將成為未來導(dǎo)航系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。
1陀螺慣性制導(dǎo)的發(fā)展趨勢
在慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中,利用激光來作為方位測向器的陀螺 逐漸取代傳統(tǒng)的機械陀螺已是大勢所趨,目前世界上許多國家 都在研制激光陀螺,美國的霍尼威爾、利頓、斯佩里等公司 均已取得明顯成績。對于不同的軍事需求,可應(yīng)用不同精度的 陀螺叫例如:用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈、空間飛行器、自主式潛艇導(dǎo)航、 高能激光武器的瞄準(zhǔn)、跟蹤等,需要漂移角速度小于0.5。/h 的高度慣性陀螺;用于測定空中、地面、海上平臺的導(dǎo)航系統(tǒng) 和姿態(tài)基準(zhǔn)系統(tǒng)等,則需要漂移角速率0.001 5?0.5 °/h的 中等精度的慣性陀螺;隨著不同關(guān)鍵理論和技術(shù)突破的先后 不同,發(fā)揮日益顯著的作用。
2系統(tǒng)設(shè)計
2.1系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)由MPU-6050三軸陀螺儀角加速度傳感器,單片 機,放大驅(qū)動模塊構(gòu)成。其中,MPU-6050三軸陀螺儀角加速 度傳感器用于測出模型直升機偏離原來航向的角速度,它的信 號由單片機模塊采集,再由單片機中的算法程序?qū)⒅鄙龣C偏離
收稿日期:2014-08-23 正常軌道的角速度轉(zhuǎn)換角度,然后將輸出信號用放大驅(qū)動模 塊放大,產(chǎn)生能夠驅(qū)動電機的左控或右控信號。當(dāng)信號為左 控信號時,右螺旋槳轉(zhuǎn)動;當(dāng)信號為右控信號信號時,左螺 旋槳轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)直升機航向的實時調(diào)整。系統(tǒng)設(shè)計框圖 如圖1所示。
2.1.1傳感器模塊
傳感器模塊使用MPU-6050三軸陀螺儀角加速度傳感器, 用于測出模型直升飛機偏離原來航向的角速度。MPU-6000為 全球首例整合性6軸運動處理組件,相較于多組件方案,減 少了大量的包裝空間。MPU-6000整合了 3軸陀螺儀、3軸 加速器。它的角速度全格感測范圍為±250、±500、±1 000 與±2 000 ° /sec (dps),可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動作。產(chǎn)品 傳輸可透過最高至400 kHz的I2C或最高達20 MHz的SPI, 在導(dǎo)航系統(tǒng)中擁有明顯的優(yōu)勢。
2.1.2單片機模塊
系統(tǒng)中單片機采用STC公司的STC89C52。它是一種低 功耗、高性能CMOS 8位微控制器,具有8 KB在系統(tǒng)可編 程Flash存儲器。它使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核,但是做了很 多的改進使得該芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。在單 芯片上,擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash,使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的 解決方案。非常適合低功耗,低成本的應(yīng)用。
2.2電路設(shè)計
2.2.1單片機電路
該模塊通過積分程序,將直升機偏離原來航向的角速度 轉(zhuǎn)換為角度。從而驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動,調(diào)整飛機的航向。
該模塊的硬件部分主要由單片機最小系統(tǒng)構(gòu)成,其中晶 體振蕩器是由一個晶振和兩個瓷片電容組成的,它是單片機系 統(tǒng)正常工作的保證;單片機的RST端口連接復(fù)位電路。它的 作用是將單片機內(nèi)部各電路的狀態(tài)恢復(fù)到一個確定的初始值, 并從這個狀態(tài)開始工作。VCC端口連接供電電路,單片機控 制電路如圖2所示。
STC89C52的P1.0和P1.1端口與放大驅(qū)動模塊的輸入端 相連,用來接收單片機傳輸?shù)男盘?。但是單片機模塊的輸出 電流大約為10 mA,不足以驅(qū)動電機,使螺旋槳轉(zhuǎn)動,因此, 需要用放大驅(qū)動模塊將輸出電流放大。放大驅(qū)動模塊的電路 原理圖如圖3所示,此電路是根據(jù)H橋式電機驅(qū)動電路改進 而來。其中,4個與門同一個“使能”導(dǎo)通信號相接,這樣, 用這一個信號就能控制整個電路的開關(guān)。而2個非門通過提 供一種方向輸人,可以保證任何時候在H橋的同側(cè)上都只有 一個三極管導(dǎo)通。電機的運轉(zhuǎn)就只需要用三個信號控制:兩個 方向信號和一個使能信號。如果DIR — L信號為0, DIR — R 信號為1,并且使能信號是1,那么三極管Q和Q4導(dǎo)通,電 流從左至右流經(jīng)電機;如果DIR — L信號變?yōu)?,而DIR — R信號變?yōu)?,那么Q2和Q3將導(dǎo)通,電流則反向流過電機。
2.3軟件算法設(shè)計
系統(tǒng)核心程序主要是角速度化為角度的積分算法程序構(gòu) 成,積分算法核心代碼如下:
k=k+ ((GetData (GYRO_ZOUT_H) /16.4) *dtt) /1 000
變量k初值為0,代表積分后的角度,變量dtt積分時間 段,具體時間需要根據(jù)單片機執(zhí)行代碼速率進行調(diào)整,系統(tǒng) 里的值為10。函數(shù)GetData (GYRO_ZOUT_H)為獲取傳感 器Z軸角速度的功能函數(shù)。
在mpu-6050模塊中,16位模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲在2個字 節(jié)中,需要進行數(shù)據(jù)合成,合成后方可加入到核心算法中運行, 代碼程序如下:
積分算法執(zhí)行完成之后,根據(jù)運算結(jié)果,改變單片機輸 出端口狀態(tài),實現(xiàn)舵機控制,代碼程序如下:
k=k+((GetData (GYRO_ZOUT_H) /16.4) *dtt) /1000 ;
if (k>0) {zheng=1 ;
fu=0 ; }
else{zheng=0 ; fu=1 ; }
delay( 100);
}
3結(jié)語
系統(tǒng)設(shè)計完成后,經(jīng)過測試基本能夠?qū)崿F(xiàn)對模型直升機 的航向控制,實現(xiàn)了簡易陀螺儀慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計。結(jié)果證 明,陀螺儀是一種能精確地確定運動物體的方位的儀器,它 是現(xiàn)代航空,航海,航天和國防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導(dǎo) 航儀器。在慣性制導(dǎo)中,陀螺儀是控制武器飛行姿態(tài)的重要 部件,正由于它的平衡和空間定向特性,已成為了飛行設(shè)備中 關(guān)鍵的部件,今后也會更多的應(yīng)用在飛行器的自主控制系統(tǒng)上。
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