基于MPU9150的姿态测量系统设计(2)
4.4 无线通信模块程序设计 25
4.5 本章小结 26
结论 … 27
致谢 … 28
参考文献29
附录A 30
1 绪论
1.1 姿态测量系统的研究背景和意义
姿态测量系统的核心是微机电系统（即MEMS器件），其内部的惯性传感器包括加速度计（测量加速度）和陀螺仪（测量角速度）以及它们的单、双、三轴组合IMU（惯性测量单元），AHRS（包含磁力计的航姿参考系统）。根据传感的原理不同，这些传感器可以主要分为压阻式、电容式、压电式、隧道式以及谐振式传感器。MEMS技术最早由理查德•费曼（Richard Phillips Feynman）于1959年提出设想[1]。三年后相关技术工作人员就研发出了第一代硅微型压力传感器。随后的一直到20世纪末这一阶段，越来越多的研究人员投入到这一相关行业，1979年Roylance和Angell进行了对压阻式微加速度计的研制。1991年Cole开始从事对电容式微加速度计的研制。到了20世纪末，美国CSDL设计研制了最早的MEMS陀螺，而Drapor实验室则研发出了另一种形式的MEMS陀螺。
MEMS加速度计是利用自身质量的惯性力来进行测量的传感器，一般由标准质量块（传感器元件）和检测电路这两部分组成。 各种MEMS加速度计已经广泛地应用到了惯性导航系统、姿态控制系统和汽车安全系统等领域。而MEMS陀螺仪则是利用旋转物体在进行径向运动时会受到的切向力的原理制成，可用于测量汽车的旋转速度。IMU由于是MEMS技术组合的微型惯性测量单元，所以也称为MIMU，主要由三个MEMS加速度传感器、三个陀螺以及解算电路组成。AHRS则是包括三个磁力计传感器的IMU，并且以四元数法为捷联姿态算法为主进行了解算[2]，直接可以输出一个运动载体的俯仰角Pitch、翻滚角Roll和偏航角Yaw。
由于传感器内部元件测量精度的不同可以将惯性传感器划分为不同精度级别，每一精度级别的惯性传感器都有其广泛的应用领域。低精度的MEMS惯性传感器主要应用在消费类电子产品中，比如用在手机、游戏机、音乐播放器、无线鼠标、数码相机、计步器、GPS导航等便携式设备上。由于其具有加速度测量、倾斜测量、振动测量甚至转动测量等基本测量功能，有待研发的消费类电子应用会不断涌现。
中精度的MEMS惯性传感器主要应用在工业级和汽车级产品中，比如用在汽车电子稳定系统（ESP或ESC）GPS辅助导航系统，汽车安全气囊、车辆姿态测量、精密农业、工业自动化、大型医疗设备、机器人、仪器仪表、工程机械等。
高精度的MEMS惯性传感器主要应用在军用级和宇航级产品中[3]，它具有高精度、全温区、抗冲击等性能指标。比如通讯卫星无线、导弹导引头、光学瞄准系统等稳定性应用；飞机/导弹飞行控制、姿态控制、偏航阻尼等控制应用以及中程导弹制导、惯性GPS导航等制导应用、远程飞行器船舶仪器、战场机器人等。
姿态测量系统就是通过固连在运动载体上的惯性传感器捕捉姿态运动数据，并将原始数据进行解算，得到易于计算机进一步分析计算的真实姿态信息，最终应用到动画制作、康复医疗、运动员辅助训练、航天航空等领域中。随着电子技术和计算机技术的飞速发展，给姿态测量这一课题的研究带来了诸多的发展及应用，越来越多的研究工作者开始从事研究运动姿态，并对运动姿态数据进行分析研究，将其应用于人们的学习、工作和生活当中。对于姿态测量领域，对运动载体姿态的动作捕捉技术也已经成为运动姿态领域研究中的一项关键技术，而且起到着越来越重要的作用。研究工作者已经意识到非常有必要通过分析人体运动姿态数据，来达到模拟人体运动姿态以及实现三文人体骨架的可视化和自由编辑控制功能，以便能给进一步的研究带来更多的方便。