Проектирование аппаратно-программных средств калибровки трехосных MEMS акселерометров - Курсовая работа

Актуальность темы обусловлена необходимостью создания аппаратно-программных средств калибровки трехосных MEMS акселерометров с целью уменьшения погрешности определения угловых координат.Сфера применения MEMS акселерометров связана с устройствами, которые в процессе своей работы анализируют приложенное ускорение. В бесплатформенных инерционных навигационных системах (БИНС) трехосные MEMS акселерометры применяются для определения положения объекта в пространстве. MEMS акселерометры также находят место в медицине и спорте: в хирургии в качестве вспомогательного средства навигации при совмещении искусственных суставов колена или бедра, с учетом индивидуальных особенностей пациента, в защитных каппах с целью выявления травм и сотрясений головного мозга, датчиках двигательной активности, стрельбе из лука и лыжных видах спорта .Интерфейс SPI имеет следующие преимущества перед другим распространенным протоколом внутрисхемного обмена I2C: Частота дискретизации 100 Гц является типовой для большинства БИНС как гражданского, так и военного применения.Именно тогда и появилась аббревиатура MEMS - Micro Electro Mechanical Sensors (Systems), микроэлектромеханические сенсоры (системы). В настоящее время, в связи с колоссальным техническим прогрессом в области электроники, эти датчики представляют собой интегрированные системы измерения с размерами до нескольких миллиметров, объединяющие в себе механические и электрические компоненты, физически размещенные на одном кристалле []. Каждая ячейка - основа акселерометра - по сути дифференциальный конденсатор, который образован несколькими пластинами: центральной, которая является частью подвижной балки и двумя фиксированными внешними пластинами. Если датчик находится в состоянии покоя, то есть при отсутствии ускорения, то емкости конденсаторов, образованных центральной и внешними пластинами, равны. Емкости и в состоянии покоя равны, поэтому выходное напряжение в их электрическом центре (т.е. на центральной пластине, закрепленной на подвижной балке) равно нулю.Однозначно задать угловое положение твердого тела в пространстве позволяют три угла Эйлера-Крылова и , отсчитываемые против часовой стрелки. Неподвижная система отсчета, в которой рассматривается угловое положение твердого тела (летательного аппарата), образована правой тройкой векторов . Ось направляется по местной вертикали от центра Земли, ось располагается в плоскости горизонта и направляется на географический север (N, North), а ось дополняет систему координат до правой.Процедура определения начальных угловых координат называется выставкой. Для выставки крена и тангажа с помощью трехосного MEMS акселерометра, выдающего ускорения , и по осям X, Y и Z связанной с ним подвижной системы координат OXYZ, соответствующие значения углов можно найти по проекциям вектора ускорения свободного падения g=9,81 м/с 2 на каждую из осей, используя математический аппарат матриц поворота (3.1)Погрешность определения угловых координат объекта по сигналам трехосных MEMS акселерометров во многом зависит от точности определения поправочных коэффициентов, вычисляемых в ходе калибровки. 2) "просачивание" сигнала из одного канала в другой, вызванное неколлинеарностью троек векторов, образующих две системы координат: связанную с калибровочной поворотной платформой OXYZ и связанную с ТОА (3.4); , - вектор показаний акселерометра, , - диагональная матрица масштабных коэффициентов, , - матрица коррекции, , - проекции вектора ускорения свободного падения на оси правой тройки векторов системы координат , связанной с акселерометром, , - вектор постоянных смещений, , - вектор собственных шумов ТОА. Без учета шума систему уравнений (3.6), выполнив операции умножения матриц и векторов, можно записать в виде: (3.7) Из (3.7) следует, что для нахождения калибровочных параметров для одной из осей требуется количество измерений, равное количеству неизвестных параметров этой оси: для оси Z - 2, для оси Y-3, для оси X-4.Представленная ниже структурная схема реализует следующий алгоритм калибровки: 1) запуск поворотной платформы сигналом ПЭВМ, 2) передача данных с калибруемого акселерометра на ПЛИС или микропроцессор, 3) преобразование данных для их передачи по USB, 4) обработка данных в ПЭВМ.Протокол RS-232 (префикс "RS" означает "рекомендуемый стандарт", Recommended Standard) является асинхронным дуплексным протоколом передачи информации между терминальным (DTE, Data Terminal Equipment) и приемным (DCE, Data Communications Equipment) оборудованием на расстоянии до 20 м. Стандарт RS-232 был введен в 1962 г. и обеспечивал максимальную скорость передачи данных всего 20 000 Бод (бит/с). Для обеспечения большей устойчивости к помехам информация по линии RS-232 передается с уровнями сигналов, отличающимися от стандартных 5 В: логической "1" соответствуют отрицательные уровни напряжения (-5... При использовании RS-232 передаваемая посылка состоит из стартового бита, 4...8 бит данных, бита четности (опционально) и одного, полутор

Содержание

Введение

1. Технико-экономическое обоснование темы

2. Составление технических условий и их обоснование

3. Теоретическая часть

3.1 MEMS акселерометры

3.2 Углы Эйлера-Крылова

3.3 Выставка по сигналам MEMS акселерометра

3.4 Калибровка MEMS акселерометра

4. Разработка структурной схемы устройства

4.1 Структурная схема устройства калибровки трехосного MEMS акселерометра

4.2 Описание протоколов передачи данных, используемых в устройстве калибровки трехосного MEMS акселерометра

4.2.1 Протокол передачи данных RS-232

4.2.2 Протокол передачи данных SPI

5. Разработка и расчет принципиальной электрической схемы

6. Экспериментальная часть

6.1 Описание экспериментальной установки

6.2 Методика эксперимента и его результаты

Заключение

Библиографический список