一种用于MEMS陀螺仪的角度测量系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于MEMS陀螺仪的角度测量系统及其方法，其涉及陀螺仪角度测量技术领域。该系统包括功率电源模块、基准电压模块、MEMS陀螺仪芯片、高精度AD转换模块和单片机模块，其中功率电源模块为电路中各芯片和期间提供电源；基准电源模块为MEMS陀螺仪芯片和AD转换模块提供高精度的基准电压；MEMS陀螺仪芯片实现对角速度测量并输出模拟信号；高精度AD转换模块负责将陀螺仪芯片的原始模拟信号转换成数字量，并传输给单片机模块；该方法通过卡尔曼滤波抑制静态情况下的零点漂移，动态旋转时则通过二阶低通滤波器降噪并保证角度跟踪的动态性能，将两种滤波器的优势有机结合，最终实现高精度稳定的角度测量。

【技术实现步骤摘要】
一种用于MEMS陀螺仪的角度测量系统及其方法
本专利技术涉及陀螺仪角度测量
，特指一种用于MEMS陀螺仪的角度测量系统及其方法。
技术介绍
MEMS陀螺仪是一种微型化、低成本的角速度传感器，它被广泛运用在各种场合，如扫地机器人的航向检测、飞行器的姿态解算等。通常人们通过AD采样实时获取陀螺仪输出的角速度然后对其积分得到实时的角度数据。因此为了确保角度的精确，首先要保证角速度数据是准确可靠的。然而MEMS陀螺仪原始角速度输出中耦合了大量的噪声成分,使角速度输出存在较大的误差。MEMS陀螺仪由于自身漂移以及噪声的问题，很容易使得基于原始数据积分得到的角度数据不可靠，从而影响通过MEMS陀螺仪获取角度的精度，而其中陀螺仪漂移是主要的误差来源之一。因此对陀螺仪的漂移进行补偿在工程应用中是极为必要的。陀螺仪漂移分为确定性漂移和随机性漂移。确定性漂移通过陀螺测试和标定试验加以补偿，而针对MEMS陀螺仪的随机漂移，经检索发现，现有的方法通常是对陀螺仪的误差数据进行建模然后采用滤波，插值等算法对误差进行估计和补偿以减小误差。但该类技术存在一定的技术缺陷，比如模型参数和噪声统计特性存在误差，会对滤波效果带来影响。经检索发现，张德明等通过构建MEMS陀螺仪的随机漂移误差的一阶AR模型后利用Kalman滤波对陀螺仪输出进行处理以消除误差。但这类技术存在一定缺陷，例如模型参数和噪声统计特性存在误差会对滤波效果产生影响。而在动态旋转情况下，使用Kalman滤波等手段会使陀螺仪在角速度跟踪上产生较大的滞后性，这会导致用于积分的角速度数据始终滞后于真实的角速度，从而导致最终得到的角度滞后和不准确。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种用于MEMS陀螺仪的角度测量系统及其方法，能够有效实现基于MEMS陀螺仪的角度测量，同时能够动态调整零点实现对陀螺仪漂移进行有效的抑制，在动态测角时亦保证测角的弱滞后性，具有十分重要的工程意义。为实现本专利技术的目的，本专利技术的具体技术方案如下：一种用于MEMS陀螺仪的角度测量系统，所述角度测量系统包括功率电源模块、基准电压模块、MEMS陀螺仪芯片、高精度AD转换模块和单片机模块；所述基准电压模块分别与MEMS陀螺仪芯片和高精度AD转换模块连接；所述功率电源模块分别与MEMS陀螺仪芯片、高精度AD转换模块和单片机模块连接；所述高精度AD转换模块还分别与MEMS陀螺仪芯片和单片机模块连接；所述单片机模块通过串行通信接口与外部设备连接以实现角度数据的对外传送。作为本专利技术的优选技术方案，所述的功率电源模块实现24V输入电压转换为6V，5V、3.3V等电压，其中TPS5430芯片将24V转换6V，REG113芯片将6V转换为提供给单片机和AD模块的3.3V电源，TPS7A8001芯片将6V转换为提供给MEMS陀螺仪芯片的5V电源。作为本专利技术的优选技术方案，所述的基准电压模块采用ADR425芯片，输出的5V电压作为AD转换模块和MEMS陀螺仪芯片的基准参考电平。作为本专利技术的优选技术方案，所述的MEMS陀螺仪芯片选用ADI生产的ADIRS620，其具有低成本、宽频响、±300°/sec的宽角速度测量范围、抗冲击性能好等优势，实用于低成本的旋转测量场合。作为本专利技术的优选技术方案，所述的高精度AD转换模块选用TI生产的16位高精度A/D芯片ADS8327，并通过SPI总线将AD转换后的角速度数据传入单片机模块中。作为本专利技术的优选技术方案，所述的单片机模块选用ST的stm32f405RGT6，并通过串行通信外设将算法和程序运行得到的角度数据对外发送。为实现本专利技术目的，本专利技术的另一技术方案具体如下：一种用于MEMS陀螺仪的角度测量方法，其包括前面所述的一种用于MEMS陀螺仪的角度测量系统，该角度测量方法具体包括以下步骤：步骤1)，采样MEMS陀螺仪原始输出信号，并经AD转换后得到角速度数据；步骤2)，对角速度数据进行滑动平均滤波。剔除队列中的极值后再进行均值运算，避免局部异常数据的干扰；步骤3)，对步骤2)得到的数据进行卡尔曼滤波，滤波结果与陀螺仪静态零点进行窗口阈值比较；若在阈值内，则判断为静态数据，送入队列用于更新零点，抑制零点漂移；若在阈值外，则判断为动态旋转数据，则转步骤4)继续处理；步骤4)，对步骤2)得到的数据进行二阶低通滤波，滤波结果与陀螺仪静态零点作差，并与旋转系数、时间系数相乘转化为角度增量；步骤5)，利用定时器中断机制对角度增量进行高精度实时积分，得到角度数据并通过串行接口发出；步骤6)，转至步骤1)，循环执行算法，实现角度值实时更新。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1.本专利技术采用基于卡尔曼滤波器与二阶低通器相结合的方法，并采用与零点数据进行窗口比较甄别数据属于静态漂移还是动态数据，利用卡尔曼滤波抑制静态漂移，利用二阶低通滤波保证动态性能，实现了MEMS陀螺仪的高精度角度测量，为基于MEMS角速率陀螺仪的角度测量提供一种新的低成本实现方法。2.本专利技术方法对去噪后的角速度数据进行积分，得到长时间稳定可靠，且动态响应良好，滞后性弱的角度数据，静态漂移性能和动态测角的精度和时延是MEMS陀螺仪的重要参数指标。附图说明图1为本专利技术角度测量系统原理框图；图2为本专利技术角度测量系统PCB设计图；图3为静态数据卡尔曼滤波前后效果图；图4为静态数据二阶低通滤波前后效果图；图5为基于门限的静态动态数据判别示意图；图6为卡尔曼滤波在动态情况下的滞后性示意图；图7为二阶低通滤波在动态情况下的滞后性示意图；图8为角度更新总流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作详细的介绍。实施例1本实施例1为一种用于MEMS陀螺仪的角度测量系统，该角度测量系统的原理框图如图1所示，其包括功率电源模块、基准电压模块、MEMS陀螺仪芯片、高精度AD转换模块和单片机模块；所述基准电压模块分别与MEMS陀螺仪芯片和高精度AD转换模块连接；所述功率电源模块分别与MEMS陀螺仪芯片、高精度AD转换模块和单片机模块连接；所述高精度AD转换模块还分别与MEMS陀螺仪芯片和单片机模块连接；所述单片机模块通过串行通信接口与外部设备连接以实现角度数据的对外传送。其中，功率电源模块为电路中各芯片和期间提供电源；基准电源模块为MEMS陀螺仪芯片和AD转换模块提供高精度的基准电压，保证MEMS陀螺仪芯片输出的原始模拟信号的准确性以及AD转换的精度；MEMS陀螺仪芯片实现对角速度测量并输出模拟信号；高精度AD转换模块负责将陀螺仪芯片的原始模拟信号转换成数字量，并传输给单片机模块；单片机模块是算法和程序运行的核心部分，并通过串行通信接口实现角度数据的对外传送。所述的功率电源模块实现24V输入电压转换为6V，5V、3.3V等电压。其中TPS5430芯片将24V转换6V，REG113芯片将6V转换为提供给单片机和AD模块的3.3V电源，TPS7A8001芯片将6V转换为提供给MEMS陀螺仪芯片的5V电源。设计6V的中间过渡电压是为了通过逐级降低电压避免大压降导致的功率损耗。陀螺仪上电后首先静置一段时间预热。之后将陀螺仪的原始输出信号输入到高精度AD转换芯片中，AD模块的采样和转换频率为10KHz，同时数字信号与模拟信号分开布线并进行地隔离，减少模拟信号中的外部干扰本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于MEMS陀螺仪的角度测量系统，所述角度测量系统包括功率电源模块、基准电压模块、MEMS陀螺仪芯片、高精度AD转换模块和单片机模块；所述基准电压模块分别与MEMS陀螺仪芯片和高精度AD转换模块连接；所述功率电源模块分别与MEMS陀螺仪芯片、高精度AD转换模块和单片机模块连接；所述高精度AD转换模块还分别与MEMS陀螺仪芯片和单片机模块连接；所述单片机模块通过串行通信接口与外部设备连接以实现角度数据的对外传送。

【技术特征摘要】
1.一种用于MEMS陀螺仪的角度测量系统，所述角度测量系统包括功率电源模块、基准电压模块、MEMS陀螺仪芯片、高精度AD转换模块和单片机模块；所述基准电压模块分别与MEMS陀螺仪芯片和高精度AD转换模块连接；所述功率电源模块分别与MEMS陀螺仪芯片、高精度AD转换模块和单片机模块连接；所述高精度AD转换模块还分别与MEMS陀螺仪芯片和单片机模块连接；所述单片机模块通过串行通信接口与外部设备连接以实现角度数据的对外传送。2.根据权利要求1所述的一种用于MEMS陀螺仪的角度测量系统，所述功率电源模块实现24V输入电压转换为6V，5V、3.3V等电压；其中，TPS5430芯片将24V转换6V，REG113芯片将6V转换为提供给单片机和AD模块的3.3V电源；TPS7A8001芯片将6V转换为提供给MEMS陀螺仪芯片的5V电源。3.根据权利要求1所述的一种用于MEMS陀螺仪的角度测量系统，所述的基准电压模块采用ADR425芯片，输出的5V电压作为AD转换模块和MEMS陀螺仪芯片的基准参考电平。4.根据权利要求1所述的一种用于MEMS陀螺仪的角度测量系统，所述的MEMS陀螺仪芯片选用ADI生产的ADIRS620。5.根据权利要求1所述的一种用于MEMS陀螺仪的角度测量系统，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王洁，韦涛，田森，左雪雯，刘文萌，王啸川，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43