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类型铁硅合金的再结晶及力学行为研究-毕业设计.doc

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  • 上传时间:2019-04-03
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    1、摘要本科毕业设计(论文)四旋翼飞行器位姿检测的软硬件设计燕 山 大 学年 月 本科毕业设计(论文)四旋翼飞行器位姿检测的软硬件设计学 院: 里仁学院 专 业: 自动化 学生 姓名: 学 号: 指导 教师: 答辩 日期: 摘要燕山大学毕业设计 (论文)任务书学院: 电气工程学院 系级教学单位: 自动化 学号 101203011097学生姓名专 业班 级 计算机控制 10-2题目名称 四旋翼飞行器位姿检测的软硬件设计题目性质1.理工类:工程设计 ( );工程技术实验研究型( ) ;理论研究型( );计算机软件型( );综合型( )2.文管理类( );3.外语类( );4.艺术类( )题目类型 1.

    2、毕业设计( ) 2.论文( )题目题目来源 科研课题( ) 生产实际( )自选题目( ) 主要内容1 查询加速度计、磁罗盘、陀螺仪的技术资料,阅读消化理解工作原理。2 掌握 STM32 单片机的应用,FreeRTOS 操作系统的应用。3 设计感器电路及相应程序。基本要求1 按电气工程学院本科生学位论文撰写规范的要求完成设计说明书一份(不少于 2.4 万字),A0 图纸。2 说明书及插图一律打印,要求条理清晰、文笔流畅、图形及文字符号符合国家现行标准。3按学院指定的地点进行设计,严格按照进度计划完成毕业设计任务。参考资料1加速度计 LIS3VDQ、磁力计 LSM303DLH、陀螺仪 ITG320

    3、0、STM32 芯片技术说明书。2有关 FreeRTOS 的应用。3四旋翼飞行器设计相关文献。周 次 14 周 58 周 911 周 1215 周 1617 周应完成的内容查阅加速度计、磁力计、陀螺仪、STM32的技术手册学习芯片的使用方法。设计感器板电路以及相应程序。试飞四旋翼飞行器并对程序做出相应调试,达到稳定效果。撰写论文 画图、准备答辩指导教师:职称: 副教授 2013 年 1 月 13 日系级教学单位审批:年 月 日摘要四旋翼飞行器在军事,民用和科技领域发挥着越来越重要的作用,与普通的飞行器相比具有结构简单,故障率低和单位体积能够产生更大升力等优点。非常适合在狭小空间内执行任务。因此

    4、四旋翼飞行器具有广阔的应用前景,吸引了众多科研人员,成为国内外新的研究热点。本次设计采用飞行器的传感器电路板与控制电路板分离的设计方法,这样使设计模块化并提高了系统的实时性。本论文针对飞行器传感器电路板的程序进行设计。主要工作如下:(1)编写传感器检测程序。传感器电路板包括:STM32 主控芯片、三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁罗盘。传感器电路板程序的主要内容为初始化芯片、初始化 I2C 以及 SPI 总线、加速度计的标定、计算陀螺仪的零漂、采集陀螺仪及加速度计的原始数据、去掉加速度计的偏置和陀螺仪的零漂、采集磁罗盘数据,将将矫正后的数据传输到飞行器的控制电路板。(2) 编写传感器标定程序并对

    5、传感器进行标定。对加速度计的标定采用了六位置测试法,即将每个轴分别向地和向天,求每个位置输出值的平均值作为该位置的加速度计输出值。这种标定法所得到的 MEMS 加速度计输出能够比较准确地反映其输出,而且 MEMS 加速度计的线性度有所改善。(3)程序搭载了 FreeRTOS 实时操作系统,使程序设计的流程变得简洁。作为可剥夺型内核,优先级高的任务一旦就绪就能剥夺优先级较低任务的CPU 使用权,提高了系统的实时响应能力。关键词 四旋翼飞行器;惯性导航;传感器;FreeRTOS;STM32AbstractIIAbstractFour rotor aircraft in the military,

    6、civil and technology plays a more and more important role, compared with the ordinary vehicle has the advantages of simple structure, low failure rate and volume can be more advantages to produce lift.Very suitable for performing tasks in a small space. So the four rotary wing aircraft, and has broa

    7、d application prospects, has attracted many researchers at home and abroad, to become the new hotspot.This design adopts the design method of sensor circuit board and control circuit board aircraft separation, so that the design of modular and improves the real-time performance of the system. In thi

    8、s paper, vehicle sensor circuit board of program design. The sensor circuit board includes: STM32 main control chip,three axis gyroscope, three axis accelerometer , three axis digital compass. Thegyroscope measured angular rate is a three position, Accelerometer measureddata is three aspects of comp

    9、arison, is the absolute acceleration and the gravitational acceleration vector relative to the inertial space difference, digital compass is used to get the attitude angle correction of gyroscope andaccelerometer compared to the measured value of attitude angle. The sensor circuit board procedures f

    10、or the main contents, the initialization of I2C initialization of chipset and SPI bus, the accelerometer calibration, collecting chip original data, correcting chip data, will be corrected data to the vehicle control circuit board. The program with FreeRTOS real-time operating system, improve the re

    11、al-time performance of the system, and make the program design processbecomes simple.Keywords Four rotor aircraft; inertial navigation; sensor; FreeRTOS; STM32目录 III目 录摘要 .I第 1 章 绪论 .11.1 选题目的及意义 .11.2 四旋翼飞行器发展及现状 11.3 四旋翼搭载的 MEMS 传感器综述 21.4 本文所做工作 .6第 2 章 陀螺仪的应用及程序分析 .72.1 陀螺仪 ITG3200 工作原理 72.2 四旋翼

    12、飞行器中陀螺仪电路及主要程序分析 .102.3 本章小结 17第 3 章 加速度计的应用及程序分析 .193.1 加速度计 LIS3VDQ 工作原理 193.2 四旋翼飞行器中加速度计电路及主要程序分析 .213.3 本章小结 33第 4 章 磁罗盘的应用及程序分析 .354.1 磁罗盘 LSM303DLH 工作原理 354.2 四旋翼飞行器中磁罗盘电路及主要程序分析 .374.3 本章小结 53第 5 章 传感器板程序的整体分析 .555.1 FREERTOS 操作系统的应用 555.2 传感器板程序的主要功能 .575.3 传感器板程序整体分析 .575.4 本章小结 65结论 .67参考

    13、文献 .68致谢 .69附录 170附录 .71目录IV附录 .74第 1 章 绪论 1第 1 章 绪论1.1 选题目的及意义四旋翼飞行器是一种体型较小、无人驾驶,能够在空中实现自主飞行并执行一定任务的飞行器。与普通飞机相比,其结构简单成本低,便于维护和制造;由于无人驾驶,所以其有效载荷更大,能够安装更多的设备或武器,完成的效率和可靠性更高;而即使出现以外险情也不会危及到飞行员的生命安全,因此广泛用于各种高风险的任务中。在军事领域,无人机早已投入到实战使用中。无人机在战争中可以实施战场侦查、目标定位、单位跟踪、电子干扰甚至火力支援等任务。例如,美国在阿富汗战争和伊拉克战争期间就大量使用了“ 全

    14、球鹰” 无人机,灾区的巨大战果的同时也极大地减少了美军的伤亡。在今后的信息化战争中,无人机必将发挥着越来越重要的作用。在民用和科技领域,无人机也发挥着巨大的作用。例如,无人机可以在发生重大灾害后实施侦查、搜寻与救援工作;可以安装多种探测设备用于火灾、虫灾监测和地质勘探中;还可以携带多种科学设备进行科学实验。因此,世界各国都非常重视无人机的研制工作。四旋翼飞行器作为本课题的研究对象,主要目的是探索优秀四旋翼飞行器平台的优化设计和搭建方法,在此基础上对传感器的应用以及数据的处理展开研究,以实现四旋翼飞行器的稳定悬停以及远程飞行操控。1.2 四旋翼飞行器发展及现状 121907 年,Louis Br

    15、eguet 建造了世界上第一家大型四旋翼飞行器Breguet-Richet,其有四个直径为 8.1m 的螺旋桨,每个螺旋桨由四个双层翼片组成,分别安置于由钢管焊接而成的十字支架的顶端,动力来自一台8 缸 29.8kw 的内燃机,试飞时曾成功离地 1.5m 四个螺旋桨的动力来自同一台内燃机,缺乏有效的控制手段,难以保证具有相同的转速,无法实现长时间稳定飞行,所以该研究计划最终被放弃。随后,一些学者陆续搭建了类似的大型四旋翼飞行器,个别出色的案例实现了垂直起降,然而做成燕山大学本科生毕业设计(论文)2大型飞行器四旋翼并没有突出的优点,所以此后研究便没有重大进展。直到最近十年随着新材料的出现,以及微

    16、机电(MEMS)技术、计算机控制技术的迅猛发展,一系列小型电动四旋翼飞行器孕育而生,其优点逐渐显露出来,吸引了国内外众多学者的研究兴趣,目前已经取得了很多突出研究成果。国外对四旋翼飞行器的技术研究得到了快速发展,例如:加拿大雷克海德大学的 Tayebi 和 Meoilvray 证明了使用四旋翼设计可以实现稳定飞行;澳大利亚卧龙岗大学的 Mckerrow 对 Draganflye 四旋翼飞行器进行了精确建模;瑞士联邦理工学院的 OS4 四旋翼飞行器分别使用了PID、LQR 、BackStepping 和 SlidingMode 算法实现了对飞行器的姿态控制;MIT 的 G.Gowtham 提出了

    17、一组高效指引四旋翼飞行器编队飞行的控制方法,MIT 还演示除了基于视觉导航的室内四旋翼飞行器控制系统,能够精确地完成各种复杂的机动飞行。国内对四旋翼飞行器的研究起步较晚,但也取得了一定研究成果,目前国防科技大学、南京航天航空大学等一些高等院校取得了比较多的研究成果。国防科技大学 2005 年以来一直关注国际上四旋翼飞行器的研究,于2007 年确立了 Quad-Rotor 研究计划,旨在实现小型四旋翼飞行器的全自主飞行。基于模块化设计理念,设计了飞行器控制系统,搭建了相应的实验平台。利用牛顿- 欧拉方程建立了四旋翼飞行器的动力学模型,利用模糊控制算法(FSMC)实现了小型四旋翼飞行器的姿态控制。

    18、1.3 四旋翼搭载的 mems 传感器综述本次设计的四旋翼飞行器共用了三个传感器,陀螺仪、加速度计、磁罗盘。另外还在飞行器上还使用了气压计和 GPS。 陀螺仪测得的是三个方位上的角速度,加速度计测得数据是三个方位的比力,即为载体相对惯性空间的绝对加速度和引力加速度之差,磁罗盘测量三个轴向角度变化所引起的磁场变化,用这个变化值可得到当前姿态角相比于陀螺仪及加速度计测出的姿态角的校正值。三个传感器测得的数据送入处理器做后续处理。由三轴陀螺仪、三轴加速度计以及磁罗盘组成了飞行姿态控制的基本部分,第 1 章 绪论 3也是核心部分惯性导航模块,简称 IMU。飞行中的姿态检测全靠惯性导航模块来实现,可见它

    19、是整个飞行模型的核心部件。 我们可以发现三个传感器都可以测得三个轴的姿态,那么为什么要用三个传感器呢?加速度计用于测量加速度。借助一个三轴加速度计可以测得一个固定平台相对地球表面的运动方向,但是一旦平台运动起来,情况就会变得复杂的多。如果平台做自由落体,加速度计测得的加速度值为零。如果平台朝某个方向做加速度运动,各个轴向加速度值会含有重力产生的加速度值,使得无法获得真正的加速度值。 例如,安装在 60 度横滚角飞机上的三轴加速度计会测得 2g(g 为重力加速度)的垂直加速度值,而事实上飞机相对地球表面是 60 度的倾角。因此,单独使用加速度计无法使飞机保持一个固定的航向。陀螺仪测量机体围绕某个

    20、轴向的旋转角速度值。使用陀螺仪测量飞机机体轴向的旋转角速度时,如果飞机在旋转,测得的值为非零值,飞机不旋转时,测量的值为零。因此,在 60 度横滚角的飞机上的陀螺仪测得的横滚角速度值为零,同样在飞机做水平直线飞行时,角速度值为零,如图 1-2所示。可以通过角速度值的时间积分来估计当前的横滚角度,前提是没有误差的累积。陀螺仪测量的值会随时间漂移,经过几分钟甚至几秒钟定会累积出额外的误差来,而最终会导致对飞机当前相对水平面横滚角度完全错误的认知。因此,单独使用陀螺仪也无法保持飞机的特定航向。 60飞 机地 表 面 w=0 rad/s燕山大学本科生毕业设计(论文)4图 1-1 60 度横滚角时角速度

    21、为零一言以蔽之,加速度计在较长时间的测量值(确定飞机航向)是正确的,而在较短时间内由于信号噪声的存在,而有误差。陀螺仪在较短时间内则比较准确而较长时间则会有与漂移而存有误差。因此,需要两者(相互调整)来确保航向的正确 3。即使使用了两者,也只可以用于测得飞机的俯仰和横滚角度。对于偏航角度,由于偏航角和重力方向正交,无法用加速度计测量得到,因此还需要采用其他设备来校准测量偏航角度的陀螺仪的漂移值。校准的设备可以使用磁罗盘计( 电子磁罗盘,对磁场变化和惯性力敏感)或者 GPS。本设计还使用了 GPS 和气压计,GPS 的应用使飞行器的导航系统成为GPS/INS 组合,INS 具有自主导航能力,不需

    22、要任何外界电磁信号就可以独立给出载体的姿态、速度和位置信息,抗干扰能力强,但 INS 定位误差随时间的延续不断增大,及误差积累、漂移大。GPS 具有全球性、全天候、高精度、连续实时定位的特点,但其动态性能和抗干扰能力较差。GPS/INS 组合系统运用现代控制理论和最优估计方法,综合了 GPS 和 INS之长,可在高动态和强电子干扰的环境下实时获取可靠性、高精度的实时导航定位,是一种高性能、高精度、高可靠性的导航定位系统。气压计用于获得飞行器的高度,配合导航系统可对飞行器进行精准定位。控制飞机飞行需要三个角度:俯仰角、横滚角、偏航角。如图 1-3、1-4、1-5 所示。第 1 章 绪论 5图 1

    23、-2 飞机的俯仰角图 1-3 飞机横滚角图 1-4 飞机偏航角四旋翼飞行器具有简单和直观的控制形式,它采用四个旋翼作为飞机的直接动力,对称分布在机体的前后左右。旋翼 1 和 3 逆时针旋转,旋翼2 和 4 顺时针旋转。可以进行六自由度的飞行,非常适合静态(各个方向速度都为零的状态) 和准静态(速度的变化非常小,可以忽略)的条件下飞行。燕山大学本科生毕业设计(论文)6一般来说,四旋翼的运动可以分为垂直飞行,水平飞行和水平转动,通过调节四个螺旋桨的转速可以获得各个运动姿态。具体运动控制如下:1) 垂直飞行同时调整四个旋翼的转速,使之获取相同的向上升力,则飞行器可以垂直上升;若同时减小升力,则飞行器

    24、可以垂直下降。2) 水平飞行改变对角上一对旋翼的转速,使一个旋翼升力增大而相对的旋翼升力减小,同时保持四个旋翼旋转力矩不变,则可以使飞行器倾斜,从而获取横向旋翼作用力实现水平飞行。改变不同的一对旋翼,可以实现不同方向的水平飞行。3) 水平转动同时增大对角上的一对旋翼速度,使飞行器四个旋转力矩不平衡,就可以使飞行器实现水平的转动。1.4 本文所做工作本文针对四旋翼飞行器的传感器电路板进行设计以及程序的编写,主要工作分为以下几个方面:(1) 分析了陀螺仪的工作原理及应用,ITG3200 芯片的内部结构以及技术参数。芯片驱动电路的设计,主要程序的分析,去除陀螺仪零漂的方法。(2) 分析了加速度计的工

    25、作原理及应用,LIS3VDQ 芯片的内部结构以及技术参数。芯片驱动电路的设计,主要程序的分析,加速度计的标定方法。(3) 分析了磁罗盘的工作原理及应用,LSM303DLH 芯片的内部结构以及技术参数。芯片驱动电路的设计,主要程序的分析,磁罗盘数据的拟合方法。(4) FreeRTOS 实时操作系统的介绍。FreeRTOS 在 STM32 芯片上的移植方法介绍。(5) 四旋翼飞行器传感器电路板程序的功能以及程序的整体分析。第 1 章 绪论 7燕山大学本科生毕业设计(论文)8第 2 章 陀螺仪的应用及程序分析2.1 陀螺仪 ITG3200 工作原理2.1.1 陀螺仪主要功能及应用场合陀螺仪的基本功能

    26、是测量角位移和角速度。在航空、航海、航天、兵器以及其它一些领域中,有着十分广泛和重要的应用。在航空上,陀螺仪用来测量飞机的姿态角(俯仰角、横滚角、航向角)和角速度,成为飞行驾驶的重要仪表。飞行控制系统如自动驾驶仪和自动稳定器,则是在测量出这些参数的基础上,实现对飞机的自动控制,因而陀螺仪又是飞行控制系统的重要部件。2.1.1.1 陀螺仪工作原理陀螺就是围绕着某个固定的支点而快速转动起来的刚体,平时所说的陀螺其实专指呈对称性的陀螺,它的质量值均匀分布的,形状是以轴为对称的,自转轴就是它的对称轴。在一定力矩的作用下。陀螺会一直在旋转,而且会围绕一个不变的轴旋转。称作陀螺的旋进或回转效应。陀螺仪由陀

    27、螺转子,内环,外环及基座组成转子由内环支撑,可高速转动,转子的转动轴成为转动轴或自转轴。内环通过内环轴支撑在外环上,可相对外环转动。外环通过外环轴支撑在基座,可绕外环轴相对基座转动,陀螺仪的主轴、内环轴、外环轴相较于一点,这点成为陀螺仪的支点。图 2-1 为双自由度陀螺仪(具有内外两个框架,使转子自由轴具有两个转动自由度) ,图2-2 为单自由度陀螺仪(只有一个框架,使转子自由轴具有两个转动自由度)。第 2 章 陀螺仪的应用及程序分析 9图 2-1 双自由度陀螺仪图 2-2 单自由度陀螺仪2.1.1.2 ITG3200 内部结构ITG3200 内部的组成结构图 2-3 所示,芯片由三个独立的

    28、MEMS(微机电系统) 陀螺仪组成,能分别检测 X(roll)、Y(pitch)、Z(yaw)三轴,如图 2-3。燕山大学本科生毕业设计(论文)10图 2-3 陀螺仪三个轴的检测当检测到转动时,检测结果经过放大、解调、滤波后产生一个正比于转动速率的电压信号,这个电压信号由一个片上独立的 16 位的 A/D 转换器对每个轴的数据进行采样转换成数字信号。A/D 转换器的输出速率可设置为从每秒 3.9 个采样率到每秒 8000 个采样率,并且用户可选择的低通滤波器有较宽的截止频率范围。芯片通过 I2C 串行接口与 MCU 通信,通信时 ITG3200 作为从机,从机地址的最低有效位由引脚 9(AD0

    29、)设置。芯片可选择多种内部或外部的时钟源,内部时钟源有:内部振荡器(不够精确) ,X、 Y、Z 任意一轴的 (MEMS)振荡器(随温度变化有2 的误差),本次设计飞行器的飞行环境并不恶劣,故选用内部振荡器,通过设置芯片内部寄存器 DLPF_CFG 来选择,本设计选择用 1kHz 内部振荡器。外部时钟源有 32.768kHz 或 19.2MHz 的方波。芯片的数据寄存器包括陀螺仪和温度的数据。寄存器是只读寄存器,并通过串行口访问,数据随时可以读取,当然,也可以通过中断功能来决定什么时候数据允许读取。中断功能通过中断配置寄存器来配置,有两种情况可以触发中断:(1)当芯片使用时切换了时钟源。(2)当

    30、数据寄存器上有新的数据可读时。2.1.1.3 ITG3200 技术参数(1)灵敏度 14.375 /s,参数解释:(LSB)数据的最低有效位对应的角速第 2 章 陀螺仪的应用及程序分析 11度为 14.375 度每秒。(2)量程为2000/s 参数解释:陀螺仪所能测量的最大速率为 2000 度每秒。(3)零速率输出值变化与温度关系40/s ,这个参数规定了当温度偏离25 摄氏度室温时,以摄氏度为单位的零速率输出值的变化。(4)供电电压 2.5V。(5)陀螺仪 A/D 转换器的字长为 16 位。(6)灵敏度变化与温度关系为6%,这个参数规定了当温度偏离 25 摄氏度室温时,以摄氏度为单位的灵敏度

    31、百分比变化,即为温度每偏离 25 摄氏度陀螺仪灵敏度减小 6%。图 2-4 ITG3200 内部结构2.2 四旋翼飞行器中陀螺仪电路及主要程序分析2.2.1 驱动电路设计如图 2-5 是陀螺仪 ITG3200 的电路原理图。采用 I2C 接口与 STM32 相连。I2C 总线是具备多主机系统所需的包括总线裁决和高低速器件同步功能的高性能串行总线。I2C 共有两根双向信号线,一根是数据线 SDA,一根是时钟线 SCL。INT 引脚与 STM32 一个 I/O 口相连,当芯片数据准备好时向 MCU 发出中断信号。AD0 决定了 ITG3200 作为 I2C 总线从机地址的最低位,AD0 为 0 时

    32、从机地址为 0xD0,AD0 为 1 时从机地址为 0xD1。陀螺仪 x 轴数据存在芯片中 GYRO_XOUT_H(高 8 位)和 GYRO_XOUT_L(低8 位) , y 轴和 z 轴也存在相应寄存器中。燕山大学本科生毕业设计(论文)12CLKIN12VOG8AD09REUTS-3P4nF.u图 2-5 ITG3200 硬件原理图2.2.2 主要程序分析表 2-1 陀螺仪函数清单主要功能函数 调用的子函数ITG_I2C_ByteWrite(u8 slAddr, u8* pBuffer, u8 WriteAddr)GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAG

    33、Disable , ENABLE);初始化函数ITG_Init(ITG_ConfigTypeDef *ITG_Config_Struct)GPIO_Init(ITG_DRDY_Port, 传感器读取函数ITG_Read_RawData(s16* out)ITG_I2C_BufferRead(ITG_I2C_ADDRESS, 先来看 ITG303DLH.h 文件,文件定义了一个结构体用于配置陀螺仪的参数typedef struct u8 powerMode;u8 SamRate; /*!CR1 |= CR1_START_Set;else/* Disable the START condition

    34、 generation */I2Cx-CR1 assert_param(IS_I2C_ALL_PERIPH(I2Cx)为断言机制函数,作为程序开发调试阶段使用,是对参数 IS_I2C_ALL_PERIPH(I2Cx)的正确性进行检查。假如 I2C 接口选择正确,并且功能开启(NewState != DISABLE)的话,那么赋予一个启动 I2C 接口的条件:I2Cx-CR1 |= CR1_START_Set,如果配置错误或功能没有开启,那么赋予一个禁止启动的条件 I2Cx-CR1 事件 5 为主机模式的选择,函数中flag1 = I2Cx-SR1;flag2 = I2Cx-SR2;flag2

    35、= flag2 DR = Address 传递地址。(4)检查当前事件是否为事件 6。while(!I2C_CheckEvent(ITG_I2C,I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED); 事件 6 为主机发送器模式的选择。(5)发送要写入的寄存器的地址。I2C_SendData(ITG_I2C, WriteAddr) WriteAddr 为 ITG3200 寄存器地址。I2C_SendData 功能为向 I2C 从设备发送数据。(6)检查当前事件是否为事件 8。while(!I2C_CheckEvent(ITG_I2C,I2C_EVENT_MAS

    36、TER_BYTE_TRANSMITTED);事件 8 为主机已发送数据。(7)向 ITG3200 发送数据。I2C_SendData(ITG_I2C, *pBuffer) *pBuffer 为指向要发送数据的指针。燕山大学本科生毕业设计(论文)16(8)检查当前事件是否为事件 8。while(!I2C_CheckEvent(ITG_I2C,I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED);事件 8 为主机已发送数据。(9)产生停止信号。I2C_GenerateSTOP(ITG_I2C, ENABLE)功能类似产生起始信号。读函数:void ITG_I2C_BufferRea

    37、d(u8 slAddr,u8* pBuffer, u8 ReadAddr, u16 NumByteToRead)功能类似写函数。函数 void ITG3205_Config(void)是对芯片的参数进行配置,参数的配置如下:void ITG3205_Config(void)ITG_ConfigTypeDef ITG_InitStructure;ITG_InitStructure.ClkSel=ITG_Internal_Clk_Sel;ITG_InitStructure.SamRate=ITG_SMPLRT_DIV;ITG_InitStructure.FS=ITG_Full_Scale_2000

    38、;ITG_InitStructure.LPFBandwidth=ITG_LPFilter_Bandwidth_42Hz;ITG_InitStructure.IntMode=ITG_Int_Mode;ITG_Init(参数说明:ClkSel 选则芯片的时钟源,用的是芯片内部晶振。 SamRate 采样率,配置的参数是一个分频系数,由公式 Fsample= Finternal/(divider+1)算出真正的采样率,此处得到的采样率为 125Hz。ITG_Full_Scale_2000 表示芯片的灵敏度为2000/s。LPFBandwidth 配置了数字低通滤波器的带宽为 42Hz。IntMode

    39、 为配置芯片的中断功能,当数据准备好的时候发出中断信号。第 2 章 陀螺仪的应用及程序分析 17函数 ITG_Read_RawData(s16* out)读取了芯片的原始数据,函数中ITG_I2C_BufferRead(ITG_I2C_ADDRESS,i3;i+)outi=-(float)(rawDatai)*0.00121414; 进行了单位的转化。temp=out0;out0=out1;out1=temp; 这三句是对坐标轴的转换,因为飞机选择的参考系是北东地参考系。而 x 轴、y 轴需要相应的转换,如图 2-6、2-7 所示。XY- ZXY传感器坐标系北东地参考系Z图 2-6 传感器坐标

    40、系 图 2-7 北东地参考系2.2.3 ITG3200 矫正方法矫正陀螺仪数据的方法为当飞行器静止的时候,测量陀螺仪的输出值燕山大学本科生毕业设计(论文)18(测量多次并求其平均值) ,把这个值作为陀螺仪的零漂,在以后的测量中去掉这个零漂值即可。程序中用如下代码获取陀螺仪的零漂:void Gyro_Cali(float* gyro_offset) u16 i;u8 j;float rawData3;float sum3=0.0;foir(i=0;i1000;i+)AHRS_Read_I2C_Gyr(rawData);for(j=0;j3;j+)sumj+=rawDataj;vTaskDelay

    41、(portTickType)5/portTICK_RATE_MS);for(j=0;j3;j+)gyro_offsetj=(sumj/1000.0);代码中在陀螺仪静止的条件下计算 1000 次陀螺仪的输出的平均值,将平均值作为零漂。2.3 本章小结本章主要分析了陀螺仪的原理及应用,陀螺仪的内部结构以及技术参数,在本次设计中陀螺仪的驱动电路设计,主要程序和去除陀螺仪零漂方法的分析。第 2 章 陀螺仪的应用及程序分析 19燕山大学本科生毕业设计(论文)20第 3 章 加速度计的应用及程序分析3.1 加速度计 LIS3VDQ 工作原理3.1.1 加速度计主要功能及应用场合加速度计是用来检测并输出与

    42、飞机运动加速度(或比力)成一定函数关系的电信号的测量装置。惯性导航是基于对飞行器加速度的测量,而加速度的测量值经连续积分可获得速度变化和位置变化的估算值。测量加速度而不直接测量速度和位置是因为速度和位置测量需要外部参考系,而加速度可由内部测量。在惯性导航系统中,高精度的加速度传感器是最基本的敏感元件之一 4。加速度计应用广泛,比如洗衣机的负载平衡,利用加速度计检测旋转时的加速度,如果不平衡洗衣机将来回抖动以重新分布负荷,不仅能够使其转速更快效率更高而且使得机器的使用寿命更长。机械健康状况的监控,人们无法容忍某些机器无计划停机,将加速度计嵌入轴承或其他旋转设备中就可以延长其使用寿命,而不用担心发

    43、生故障,加速度计通过检测轴承或其它旋转设备的振动,确定其工作状况。在自动校平方面的应用,加速度计测量大型机器或活动房屋等物体的绝对倾斜度。MCU 利用该倾斜信息自动校平物体。在手机上的应用,微控制器借助加速度计识别用户手势,从而实现移动设备的单手控制。还可以用加速度计改善导航功能的精确度和使用性能,以及开发其他应用。如图为 LIS3VDQ 的引脚图。图 3-1 加速度计 LIS3VDQ 引脚图第 3 章 加速度计的应用及程序分析 213.1.2 加速度计工作原理加速度计由测量质量(也称敏感质量)、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。当仪表壳体随着运载体沿敏感轴方向作加速运动时,根据牛顿定律,

    44、具有一定惯性的检测质量会保持其原来的运动状态不变。它与壳体之间将产生相对运动,使弹簧变形,于是检测质量在弹簧力的作用下随之加速运动。当弹簧力与检测质量加速运动时产生的惯性力平衡时,检测质量与壳体之间便不再有相对运动,这时弹簧的变形反应被测加速度的大小。电位器作为位移传感元件把加速度信号转换为电信号,以供输出。加速度计本质上是一个自由度的振荡系统,因此易受到外部干扰的影响,如图 3-2 为加 速度计示意图。图 3-2 加速度计示意图线加速度计的原理是惯性原理,也就是力的平衡,A(加速度)=F( 惯性力)/M( 质量) 我们只需测量 F 就可以了,而这个力用电磁力去平衡就可以测量出来。经过这一步可

    45、以得到 F 对应于电流的关系,即力与电流的一个比例系数。只需要用实验去标定这个比例系数就可以了。最后可以得到X、Y、Z 三个方向的加速度值。3.1.3 LIS3VDQ 内部结构LIS3VDQ 内部结构由敏感元件、C/V(电容/电压)转换电路、电荷放大器、模数转换器 、多路分配器、低通滤波抽样器以及 SPI/I2C 接口电路组成。敏感元件检测到有加速度时,产生电容变化,通过 C/ V 转换器将微燕山大学本科生毕业设计(论文)22小的电容变化转换为模拟电压,经过多路复用器后由电荷放大器将信号放大,再经 模数转换器将电压信号转化为数字信号,滤波器对数字信号进行滤波并将数据放入到寄存器中,最后通过 I

    46、2C 或 SPI 接口发送给 MCU。3.1.4 LIS3VDQ 技术参(1)供电电压 2.5V。(2)量程可选择2g 和6g(g 为重力加速度),即芯片可测量的最大加速度值。(3)量程为2g 时,灵敏度为 1024LSB/g,量程为6g 时,灵敏度为340LSB/g。(4)芯片工作温度范围为-40C 到+85C(5)芯片可检测自由落体,当自由落体发生或产生惯性唤醒信号触发产生中断信号。图 3-2LIS3VDQ 内部结构3.2 四旋翼飞行器中加速度计电路及主要程序分析3.2.1 驱动电路设计图 3-3 为加速度计 LIS3VDQ 的电路原理图。采用 SPI 接口与 STM32相连。SPI 接口使用 4 条线,分别为:串行时钟线(SCLK)、主机输入/ 从机输出数据线(MISO)、主机输出/从机输入数据线(MOSI) 、低电平有效的从机选择线 NSS。DRY 引脚与 STM32 的 I/O 口相连,作为 Data-Ready 信号使能线。

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