航姿参考系统AHRS三轴陀螺3DM-S10

微 型 航 姿 参 考 系 统
MAHRS  3DM-S10A/B
 
传统的航姿系统精度虽高但是成本也很高,而且体积也偏大,往往只适用军事领域,在民用领域难以大规模使用。然而在越来越多的民用领域,如电子玩具、三维仿真、运动检测、机器人、VR游戏等领域,都急需低成本小型化航姿参考系统。随着嵌入式系统的飞速发展及新型高性能惯性元器件的出现,使得研究低成本小型化航姿参考系统成为可能。上海思越研发一种基于微机电系统(MEMS)传感器3DM系列微小型航姿参考系统,具有低成本、小型化等特点,且具有较高的精度。
1. 简介
微型航姿参考系统（MAHRS）3DM-S10A/B是一款微型的全姿态测量传感装置，它由三轴MEMS陀螺、三轴MEMS加速度计、三轴磁阻型磁强计等三种类型的传感器构成。三轴陀螺用于测量载体三个方向的的绝对角速率，三轴加速度计用于测量载体三个方向的加速度，在系统工作中，主要作用是感知系统的水平方向的倾斜，并用于修正陀螺在俯仰和滚动方向的漂移，三轴磁阻型磁强计测量三维地磁强度，用于提供方向角的初始对准以及修正航向角漂移。微型航姿参考系统3DM-S10A/B可提供的输出数据有：原始数据、四元数、姿态数据等（产品外形如图1所示）。
         
图1  微型航姿参考系统（MAHRS）3DM-S10A/B外形（左 A型RS232接口、右 B型RS485接口）
2. 特性
 实时三轴惯性输出；
 大于100Hz的内部更新率；
 尺寸小；
 低功耗；
 RS-485A串行接口，方便连接。
3. 应用领域
 车载控制系统；
 航空航天电子系统；
 虚拟现实系统；
 平台稳定系统；
 机器人控制等。
4. 工作原理及软硬件框图
微型航姿参考系统（MAHRS）3DM-S10A/B采用陀螺来测量载体的绝对角速率，然后载体的姿态角（航向角、俯仰角和滚动角）就可以通过陀螺输出数据的特定的解算方法来获得。加速度计用于确定3DM-S10A/B初始的姿态，并修正并确定陀螺在水平方向（俯仰角和滚动角）的漂移。三轴磁阻型磁强计用于提供方位角的初始对准以及修正陀螺的航向角漂移。微型航姿参考系统（MAHRS）3DM-S10A/B内部的嵌入式处理器中设计有传感器融合算法，重力测量值（通过加速度计）和磁北向测量值（通过磁力计）有机融合并对漂移进行补偿，避免了因为角速率数据的积分运算带来的误差的无限累积。而微型航姿参考系统（MAHRS）3DM-S10A/B比无陀螺的电子罗盘具有很大的优势，在动态情况下它能够精确解算航姿，而一般的电子罗盘只能在静态条件下运用，在动态情况下无法得到精确的航姿信息。微型航姿参考系统（MAHRS）3DM-S10A/B可以可靠提供全姿态信息和原始数据，数据更新率可达到100Hz以上。
 
5. 规格
表1 3DM-S10A/B 绝对最大额定值
性能指标 极限值 单位
供电电压 (Vss-Vdd) -0.3 … +6 V
引脚电压范围 -0.3 … +6 V
结温 +125 oC
表2 3DM-S10A/B 性能指标
性能指标 最小 典型 最大 单位
输出数据格式 原始数据、四元数、姿态角 
内部更新率 100 Hz
启动时间  < 1   sec
静态角度误差 (航向) 0.1 0.2 1 degree
静态角度误差 (俯仰、滚动) 0.03 0.05 0.1 degree
重复性误差 (航向) 0.1 0.5 2 degree
方向角分辨率  >0.01  degree
陀螺速率测量范围  ±500   °/sec
加速度测量范围  ±2  g
磁力计测量范围  ±1.0   Gauss
电气特性  
供电电压 4.5  5.0  9.0  V
供电电流  40  60 80  mA
功耗  300   mW
物理特性  
尺寸 28x33x20 mm
重量 18 gram
规定温度范围  +25  oC
工作温度范围 -25  +70 oC
存储温度范围  -25   +80 oC
表3 3DM-S10A/B 引脚定义
序号 名称 功能 
 
A 
B
1 +5V 供电  
2 A A-RS485  
3 B B-RS485  
4 GND 地  
从陀螺仪、加速度计、磁力计以及内部温度传感器得到的数据，全部被传输到嵌入式系统-数字信号处理器（DSP）中。数字信号处理器（DSP）依据特定的算法以及存储在Flash存储器中的标定数据处理来自传感器的原始数据，作为其基本算法，微型航姿参考系统（MAHRS）3DM-S10A/B采用自适应卡尔曼滤波算法，该算法能够自动调整并适应不断变化的动态条件，而无需外部人为的干预。
每一个微型航姿参考系统（MAHRS）3DM-S10A/B产品均在特定的环境实验条件下，并参考已知温度下的加速度、角速率和磁场进行全面的标定，并将标定数据输入每个产品中。用户可以通过RS-485A收发接口接收航姿信息及原始数据，同时也可以通过命令方式进行交互操作（详见微型航姿参考系统（MAHRS）3DM-S10A/B通信协议）。微型航姿参考系统（MAHRS）3DM-S10A/B 的供电电源标准值为DC+5.0V，数据线和电源线整合在一个接插装置中，方便使用，各引脚定义参见表3。