集成微型記錄器的微慣性測量組合

曾學(xué)林，康興國，李 蓉

(機(jī)電動態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

集成微型記錄器的微慣性測量組合

曾學(xué)林，康興國，李 蓉

(機(jī)電動態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710065)

針對在地面標(biāo)定和炮射試驗(yàn)時需要采集慣性測量組合輸出信號的需求，設(shè)計(jì)了一種基于32位片上系統(tǒng)的微型記錄器，并結(jié)合由MEMS慣性器件構(gòu)成的微慣性測量組合的結(jié)構(gòu)中有一定空間的特點(diǎn)，將其集成在微慣性測量組合的中心位置，構(gòu)成了一種集成微型記錄器的微慣性測量組合。最后對系統(tǒng)進(jìn)行了地面標(biāo)定測試。測試結(jié)果表明，集成微型記錄器的微慣性測量組合能夠真實(shí)地測量并記錄角速度信號和加速度信號，經(jīng)過多次測試，整個系統(tǒng)均能正常工作，性能穩(wěn)定可靠，滿足設(shè)計(jì)需求。

MEMS；慣性測量單元；記錄器；標(biāo)定

0 引言

微慣性測量組合是由MEMS陀螺儀、加速度計(jì)及相關(guān)集成電路構(gòu)成的微型慣性測量器件，由于其具有體積小、重量輕、功耗小及成本低等特點(diǎn)，在很多領(lǐng)域都得了廣泛的應(yīng)用[1]。近年來，隨著微電子技術(shù)和MEMS加工工藝的發(fā)展，MEMS慣性器件的精度得到了很大的提高。挪威SONSERNOR公司生產(chǎn)的STIM300慣性測量組合，其MEMS陀螺的分辨率為0.22°/h，偏置不穩(wěn)定性為0.5(°)/h，加速度計(jì)的分辨率為1.9 μg,偏置不穩(wěn)定性為0.05 mg[2]。國內(nèi)中電13所研制的MEMS陀螺儀的分辨率為0.005(°)/s、短期零漂不穩(wěn)定性10(°)/h，加速度計(jì)的分辨率0.3 mg、偏置不穩(wěn)定性0.5 mg。雖然國內(nèi)研制的MEMS慣性器件技術(shù)指標(biāo)與國外器件有較大差距，但基本上能夠滿足低成本智能彈藥中近距離導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)要求。

21世紀(jì)的兵器已經(jīng)快速地進(jìn)入智能化、信息化和微型化階段，以實(shí)現(xiàn)武器彈藥的最大效能和對目標(biāo)的最佳毀傷，因此現(xiàn)代武器裝備采用MEMS技術(shù)是世界武器發(fā)展的必然趨勢[3-4]。為了加快國產(chǎn)MEMS慣性器件在低成本智能彈藥中的應(yīng)用，開展了中電13所MEMS慣性器件在炮射環(huán)境下的適應(yīng)性研究。首先對MEMS慣性測量組合進(jìn)行地面標(biāo)定，然后對慣性測量組合進(jìn)行炮射試驗(yàn)，并利用彈載數(shù)據(jù)記錄器記錄陀螺儀和加速度計(jì)在全彈道飛行過程中的輸出信號，根據(jù)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)計(jì)算彈丸的全彈道參數(shù)，并與實(shí)際彈道參數(shù)進(jìn)行對比，評估國產(chǎn)MEMS器件在經(jīng)歷發(fā)射過載后的性能。

慣性測量組合在進(jìn)行地面標(biāo)定時，慣性測量組合的輸出信號一般是通過滑環(huán)傳輸至數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，也有采用高精度小型數(shù)據(jù)記錄器存儲慣性測量組合的輸出信號；在彈上試驗(yàn)時，主要采用小型彈載數(shù)據(jù)記錄器存儲慣性測量組合的輸出信號。本文針對地面標(biāo)定和炮射試驗(yàn)時需要采集慣性測量組合輸出信號的需求，設(shè)計(jì)了一種基于32位片上系統(tǒng)的微型記錄器，并結(jié)合由MEMS慣性器件構(gòu)成的微慣性測量組合的結(jié)構(gòu)中有一定空間的特點(diǎn)，將其集成在微慣性測量組合的中心位置，構(gòu)成了一種集成微型記錄器的微慣性測量組合。

1 微慣性測量組合

微慣性測量組合由3個微型加速度計(jì)、3個微型陀螺和相關(guān)的集成電路組成[5]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中3個灰色方塊代表MEMS加速度計(jì)，彼此正交貼于正方體骨架外壁，用于敏感來自三個不同方向的角加速度，3個彼此正交的白色方塊代表MEMS陀螺儀，用于敏感三個不同方向的加速度。微慣性測量組合可以對彈體的加速度和角速度信息進(jìn)行測量，但是無法對陀螺和加速度計(jì)的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和存儲。

圖1 MIMU結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural sketch map of MIMU

微慣性測量組合本身不具備數(shù)據(jù)采集記錄功能，一般通過數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲，但是數(shù)據(jù)采集器的體積較大，無法集成到體積較小的MIMU中，達(dá)不到微型化設(shè)計(jì)要求。

2 集成微型記錄器的微慣性測量組合

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、慣性器件和數(shù)據(jù)記錄器之間的接口電路設(shè)計(jì)以及彈載數(shù)據(jù)記錄器的設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要盡量實(shí)現(xiàn)三軸慣性器件在初始安裝和使用過程中處于正交位置；接口設(shè)計(jì)主要解決慣性器件輸出信號與記錄器輸入信號之間的電平適配及信號調(diào)理；彈載記錄器的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)慣性測量單元中間空間尺寸、地面標(biāo)定試驗(yàn)和炮射飛行試驗(yàn)慣性測量組合的工作時間、加速度信號的頻響等確定記錄器的體積、存儲容量、采樣率等技術(shù)參數(shù)。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

集成微型記錄器微慣性測量組合是一個由3個MSG7000D-300陀螺儀、3個MSA6000D加速度計(jì)、微型記錄器和相關(guān)電路構(gòu)成的組合器件，其中，陀螺儀的尺寸為其尺寸為19.56 mm×11.5 mm×2.7 mm，加速度計(jì)的尺寸為11.43 mm×11.43 mm×3.8 mm，微慣性測量組合的結(jié)構(gòu)是一個尺寸為27.98 mm×27.86 mm×27.43 mm的近似正方體，其實(shí)物圖如圖2所示。慣性器件的安裝骨架材料采用高強(qiáng)度鋁合金，其剛度和強(qiáng)度可以保證在發(fā)射過載作用下不產(chǎn)生宏觀形變，使用過程中不會產(chǎn)生額外的安裝誤差。骨架的A面、B面和C面安裝陀螺儀，D面、E面、F面安裝加速度計(jì)，在安裝陀螺儀的骨架三個表面加工與陀螺儀寬度相等的深度為0.5 mm的槽，在安裝加速度計(jì)的骨架三個表面加工與加速度計(jì)寬度相等的深度為0.5 mm的槽，從而減小初始安裝誤差。陀螺儀和加速度計(jì)焊接在PCB板上，PCB背面分別為接口電路和信號調(diào)理電路，采用502膠將陀螺儀和加速度計(jì)粘結(jié)在骨架相應(yīng)的槽內(nèi)。集成微型記錄器的慣性測量組合的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，圖中黑色方塊代表微型記錄器，用于實(shí)時記錄微慣性測量組合的輸出信號。

圖2 系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2 Physical map of the system

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural sketch map of the system

2.2 電路接口

慣性測量組合硬件電路中陀螺儀工作電壓為5 V，加速度計(jì)工作電壓范圍為3～7 V，單片機(jī)工作電壓范圍2.0～3.6 V。因?yàn)?個器件工作電壓無法統(tǒng)一，選取美國TI公司接口電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC1T45，將陀螺儀5 V電平的SPI接口轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠接收的3.3 V電平，該電平轉(zhuǎn)換芯片采取SOT23-6封裝，尺寸只有2.2 mm×2.0 mm×1 mm，系統(tǒng)選取3.3 V的電壓為加速度傳感器供電，信號輸出直接傳送到單片機(jī)內(nèi)部集成的AD輸入端。

2.3 慣性測量組合輸出參數(shù)及對記錄器的要求

慣性測量組合的內(nèi)腔體積為21 mm×21 mm×21 mm，因此記錄器的尺寸不能大于20 mm×20 mm×20 mm；記錄器采用SPI接口，可以方便地讀取陀螺儀的輸出數(shù)據(jù)，同時采用三個16 bit ADC，實(shí)現(xiàn)對加速度計(jì)輸出信號較高精度的同步采集；陀螺儀輸出的數(shù)據(jù)為24 bit，加速度計(jì)輸出信號經(jīng)過轉(zhuǎn)化后為16 bit，每一個采樣點(diǎn)共有15 Byte的數(shù)據(jù)，根據(jù)炮彈飛行最長時間300 s、記錄器對慣性測量組合輸出數(shù)據(jù)2k采樣率計(jì)算，記錄器的容量不小于9 MB；考慮到地面標(biāo)定和靶場炮射試驗(yàn)的準(zhǔn)備時間，記錄器需要有低功耗延時等待狀態(tài)，延時時間能夠編程設(shè)定；記錄器的讀數(shù)接口能夠抗靜電危害，防止讀數(shù)時造成記錄器損壞，同時讀數(shù)時要有較高的數(shù)據(jù)速率，保證快速讀取數(shù)據(jù)。

2.4 記錄器

小型記錄器基本上采用單片機(jī)(FPGA)+存儲器+信號調(diào)理及接口適配電路(可選)+AD轉(zhuǎn)換器(可選)的設(shè)計(jì)方案，按照這種設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的記錄器不是體積大、功耗大，就是性能參數(shù)滿足不了慣性測量組合輸出信號記錄的要求。為了滿足記錄器小體積、低功耗、數(shù)字信號與模擬信號可以同時記錄的設(shè)計(jì)需求，提出了基于32 bit ARM核的高性能低功耗單片機(jī)和串行Flash存儲器的兩芯片記錄器設(shè)計(jì)方案，利用該方案設(shè)計(jì)的記錄器的體積不大于18 mm×18 mm×16 mm，采集狀態(tài)下功耗小于1 mA，記錄時間大于500 s。

記錄器的電路原理圖如圖4所示。

圖4 記錄器電路原理圖Fig.4 Circuit schematic of recorder

記錄器的單片機(jī)采用STM32F373C，封裝為LQFP-7×7(單位：mm2)，工作電壓范圍2.0～3.6 V。該單片機(jī)核為ARM32bit-Cortex-M4F CPU，最高工作時鐘頻率72 MHz，可實(shí)現(xiàn)單周期的乘法和除法指令，集成了單精度浮點(diǎn)數(shù)單元，能夠完成數(shù)字信號處理的功能(DSP)。片上集成了最大為256 KB的Flash程序存儲器、32 KB的SRAM。片上集成的與數(shù)據(jù)采集相關(guān)的外設(shè)資源包括：8 MHz RC振蕩器，通過調(diào)整內(nèi)部時鐘校準(zhǔn)寄存器，時鐘精度可以達(dá)到±1%，時鐘單元還包括一個鎖相環(huán)(PLL)電路，能夠?qū)⑼獠康妮斎霑r鐘或者內(nèi)部時鐘倍頻8倍，系統(tǒng)工作時鐘頻率能夠在運(yùn)行狀態(tài)下實(shí)時改變；12個16 bit計(jì)數(shù)器/定時器，2個32 bit計(jì)數(shù)器/定時器；3組SPI接口，3組USART接口；3個16 bit Sigma-Delta ADC。存儲器采用SPANSION公司生產(chǎn)的串行Flash存儲器S25FL127S，存儲容量為16 MB，寫入速度0.8 MB/s，采用8引腳SOIC封裝，尺寸為5.3 mm×8 mm，數(shù)據(jù)接口為SPI，支持模式0和模式3操作。

單片機(jī)的SPI1與三個陀螺的SPI信號線相連，三個I/O分別連接三個陀螺的片選信號端，三個加速度計(jì)信號端分別連接到單片機(jī)的16 bit AD輸入口，單片機(jī)的SPI2與存儲器的SPI信號相連，一個I/O口連接存儲器的片選信號。單片機(jī)的USART1連接422差分芯片，作為讀數(shù)與控制接口。

2.5 地面標(biāo)定

MEMS慣性器件本身精度低，在安裝過程中又引入了額外的安裝誤差，導(dǎo)致由MEMS慣性器件構(gòu)成的微慣性測量組合的測量精度不高，因此，在上彈前必須對其進(jìn)行地面標(biāo)定。地面標(biāo)定主要是針對MEMS慣性器件存在的零偏、標(biāo)度因數(shù)及安裝誤差等主要的誤差項(xiàng)進(jìn)行標(biāo)定，然后通過誤差補(bǔ)償來提高系統(tǒng)的測量精度[6]。本小節(jié)首先對MEMS慣性器件進(jìn)行誤差建模，然后結(jié)合誤差模型進(jìn)行了六位置試驗(yàn)和動態(tài)角速率試驗(yàn)，完成了MIMU的地面標(biāo)定工作。

2.5.1誤差模型

MEMS慣性器件在進(jìn)行誤差建模時，忽略二階微小量及一些高階噪聲，針對慣性器件的零偏、標(biāo)度因數(shù)及安裝誤差等主要誤差項(xiàng)建立誤差模型。

陀螺儀的誤差模型為：

(1)

式中，Wx、Wy、Wz為陀螺儀實(shí)際輸出值；wx0、wy0、wz0為陀螺的零偏；Kij(i=x,y,z,j=x,y,z)指陀螺的標(biāo)度因數(shù)及安裝誤差；wx、wy、wz為陀螺的理論輸入值。

加速度計(jì)的誤差模型為：

(2)

式中，F(xiàn)x、Fy、Fz為加速度計(jì)實(shí)際輸出值；fx0、fy0、fz0為加速度計(jì)的零偏；Eij(i=x,y,z,j=x,y,z)指加速度計(jì)的標(biāo)度因數(shù)及安裝誤差；fx、fy、fz為加速度計(jì)的理論輸入值。

2.5.2標(biāo)定方案

利用雙軸轉(zhuǎn)臺對集成微型記錄器的微慣性測量組合進(jìn)行六位置試驗(yàn)和動態(tài)角速率試驗(yàn)[1]。將MIMU安裝在轉(zhuǎn)臺上，設(shè)置不同的轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角速率點(diǎn)，MEMS陀螺對轉(zhuǎn)臺的角速率信息進(jìn)行測量，另外，利用雙軸轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角度控制功能可以實(shí)現(xiàn)MIMU處于不同的位置，MIMU中的加速度計(jì)可以敏感不同位置下重力矢量在速度計(jì)各軸上的分量，同時利用記錄器對加速度計(jì)和陀螺輸出進(jìn)行實(shí)時地高精度地記錄和存儲，通過USB接口將數(shù)據(jù)讀出到上位機(jī)顯示。

1)陀螺儀

在轉(zhuǎn)臺上對MIMU進(jìn)行動態(tài)角速率試驗(yàn)時，首先將MIMU正確地安裝在轉(zhuǎn)臺上，使陀螺儀的敏感軸與轉(zhuǎn)軸重合，然后設(shè)置轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動角速度，每個速率點(diǎn)采集一定的時間，并利用記錄器記錄陀螺儀的輸出。轉(zhuǎn)臺設(shè)定的轉(zhuǎn)動速度作為陀螺的理論輸入值，陀螺真實(shí)測量值作為實(shí)際輸出值，代入到陀螺誤差模型中，采用最小二乘法[7]可以擬合出陀螺各項(xiàng)誤差系數(shù)。

2)加速度計(jì)

在轉(zhuǎn)臺上對MIMU進(jìn)行六位置試驗(yàn)時，首先將MIMU正確地安裝在雙軸速率轉(zhuǎn)臺上，使加速度計(jì)敏感軸分別處于朝天和朝地的位置，并利用記錄器記錄加速度計(jì)在這兩個位置下的輸出。具體六個位置如圖5所示。

圖5 六位置示意圖Fig.5 Schematic diagram of six positions

加速度計(jì)朝地時，能敏感到1g的重力加速度，朝天指向時，能敏感到-1g的重力加速度，最后將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入到加速度計(jì)誤差模型中可以解算出各項(xiàng)誤差系數(shù)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)文中第2部分確定的標(biāo)定方案，在常溫下，利用雙軸轉(zhuǎn)臺對集成微型記錄器的微慣性測量組合進(jìn)行地面標(biāo)定。

通過動態(tài)角速率試驗(yàn)，來評估MIMU對角速度的測量和記錄功能。將MIMU安裝在轉(zhuǎn)臺上，X軸陀螺儀與轉(zhuǎn)軸重合，設(shè)置轉(zhuǎn)動角速率點(diǎn)為：±10、±50、±100、±150、±250、±300(單位：dps)，采樣周期設(shè)置為3.75 ms，每個速率點(diǎn)采樣時間約30 s，總的采樣時間約為600 s。Y和Z軸的測試方法相同。以X軸陀螺為例，上位機(jī)顯示的陀螺儀輸出數(shù)據(jù)曲線如圖6所示。

通過六位置試驗(yàn)，來評估MIMU對加速度的測量和記錄功能。將MIMU安裝于轉(zhuǎn)臺，初始位置Z軸朝天，X和Y軸保持水平，使Y軸加速度計(jì)與轉(zhuǎn)軸重合，設(shè)置轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動速度為3(°)/s，每轉(zhuǎn)動45°靜止45 s，直到完整轉(zhuǎn)動一周，在標(biāo)定過程中利用記錄器記錄數(shù)據(jù)，其中采樣周期3.75 ms，總的采樣時間約為600 s。以X軸為例，上位機(jī)顯示的加速度計(jì)的輸出數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖6 上位機(jī)顯示的陀螺儀數(shù)字信號Fig.6 Gyro digital signaldisplayed by host computer

圖7 上位機(jī)顯示的X軸加速度計(jì)模擬電壓信號Fig.7 Analog signal of accelerometer displayed by host computer

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入到加速度計(jì)和陀螺誤差模型中，利用參數(shù)相消的方法可以求出加速度計(jì)的誤差系數(shù)，再利用最小二乘法可以得到陀螺儀的各項(xiàng)誤差系數(shù)。標(biāo)定的結(jié)果如表1。

表1 加速度計(jì)和陀螺儀的標(biāo)定系數(shù)

從陀螺儀和加速度計(jì)的數(shù)據(jù)回讀結(jié)果可以看出，集成微型記錄器的微慣性測量組合真實(shí)地測量并記錄了角速度信號和加速度信號，跟轉(zhuǎn)臺設(shè)置的轉(zhuǎn)速及位置對應(yīng)的理論輸出基本符合，波形完整，沒有發(fā)生失真及數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，滿足在地面標(biāo)定和炮射試驗(yàn)時需要采集慣性測量組合輸出信號的需求。在進(jìn)行上彈測試時，MIMU及記錄器均能正常工作，驗(yàn)證了整個系統(tǒng)在飛行條件下的可靠性。

4 結(jié)論

本文提出了集成微型記錄器的微慣性測量組合。集成微型記錄器的微慣性測量組合利用MIMU結(jié)構(gòu)體多余的空隙，在不增加體積的情況下將微型記錄器集成于MIMU的中心位置，集測量功能和記錄功能于一體，滿足了在地面標(biāo)定和炮射試驗(yàn)時需要采集慣性測量組合輸出信號的需求。通過地面標(biāo)定試驗(yàn)，解算出了MIMU誤差模型中的24項(xiàng)誤差系數(shù)，完成了MIMU的地面標(biāo)定。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，集成微型記錄器的微慣性測量組合能夠真實(shí)地測量并記錄角速度信號和加速度信號，經(jīng)過多次測試，整個系統(tǒng)均能正常工作，性能穩(wěn)定可靠，滿足設(shè)計(jì)需求。

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MiniatureInertialMeasurementUnitIntegratedwithMiniatureRecorder

ZENG Xuelin，KANG Xingguo，LI Rong

(Science and Technology on Electromechanical Dynamic Control Laboratory, Xi’an 710065, China)

To meet the requirement of collecting the output signal of inertial measurement system for ground calibration and missile test, a kind of miniature recorder based on 32 bit chip system was designed . Combined with the characteristics of a certain space in the Miniature Inertial Measurement Unit composed of MEMS inertial devices ,the miniature recorder was integrated into the center position of the MEMS Inertial Measurement Unit and related to Miniature Inertial Measurement Unit integrated with miniature recorder. Finally, the ground calibration test of inertial measurement unit was carried out. Simulation results showed that the Miniature Inertial Measurement Unit integrated with miniature recorder could truly measure and record the angular velocity signal and acceleration signal.

MEMS;IMU;recorder;calibration

2017-02-24

:曾學(xué)林(1990—)，男，四川內(nèi)江人，碩士研究生。研究方向：MEMS慣性器件、慣性導(dǎo)航。E-mail:1833039895@qq.com。

TJ430.2

：A

：1008-1194(2017)04-0026-05