AHRS系统前言

AHRS是“Attitude and heading reference system”的英文缩写，百度对此的解释是“航姿参考系统”，按笔者比较浅薄的理解就是在计算平台上通过算法处理一套部署在被控对象上的一系列传感器返回的数据，从而得到被控对象实时的物理信息并达到预测和控制被控对象相应物理量的一类系统。这一系列的文章将逐步介绍AHRS系统的传感器和算法，希望笔者本人能在这一领域有所收获，同时还希望能够得到众多网友的指点和批评。
当前笔者所使用以及研究的AHRS系统包含了三类传感器，陀螺仪，加速度计，磁力计。陀螺仪和加速度计往往都集成到一个东西，叫做IMU，及惯性测量单元。

陀螺仪

在惯性导航中的陀螺仪按结构构成大致可以分为三类，机械陀螺仪，光学陀螺仪和微机械陀螺仪。其中MEMS(micro electro mechanical systems)是本文要讨论和研究的重点内容，也是嵌入式系统使用最多的一类陀螺仪。

MEMS(微电子机械系统)

微机械MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的缩写，即微电子机械系统。微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology）基础上的 21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。微电子机械系统（MEMS）是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术，该技术将对未来人类生活产生革命性的影响。它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。

以上来自百度百科

MEMS传感器

MEMS传感器是采用微机械加工技术制造的新型传感器, 是MEMS器件的一个重要分支，按其工作原理, 可分为物理型、化学型和生物型三类，其分类可以按照下图所示：

MEMS陀螺仪功能原理简介

MEMS陀螺仪由一颗MEMS芯片和一颗ASIC芯片组成，二颗芯片封装一起构成了陀螺仪。它的测量是基于科里奥利力的作用，如图所示：

在MEMS陀螺仪中并不存在传统机械陀螺仪高速旋转的转子，而是一种近似固态的器件。MEMS陀螺仪是通过感应角速度的大小来得到角度的。大部分MEMS陀螺仪对角速度的检测依赖于驱动模态和检测模态间的能量转移，即所谓科里奥利效应。笔者在网上进行了一段时间的查阅，即使是MEMS微陀螺从作用原理上分为四类，微振动陀螺，悬浮转子陀螺，微集成光学式陀螺和微原子陀螺。现在最成熟市场应用最多的就是微振动陀螺，我们在各类论坛和博客上看到的涉及科里奥利力的基本都是微振动陀螺。微振动陀螺又分为两类，分别是框架式振动微陀螺仪和音叉式微陀螺仪，如下图：

我们可以看到，微振动陀螺仪都是通过对微小的机械元件施加振动，再利用有角速度时施加在微机械单元上的科里奥利力引起在输出轴上的振动，进而引起电容的变化，从而得出当前角速度的值。对角速度求积分，则可以得到陀螺仪在敏感方向上的角度偏移量。所以不同轴数的陀螺仪能够测量更多方向上的角度偏移量，最常用的就是三轴陀螺仪。

我们在选用陀螺仪的时候，精度是最关心的问题。目前不同级别的陀螺的性能指标如下所示：

可以知道，市面上的陀螺仪一般都是处于速率级别。

加速度计

关于加速度计的工作原理，国外的一个网站starlino对此有比较精彩的讲解：
A Guide To using IMU (Accelerometer and Gyroscope Devices) in Embedded Applications
如文中所说，虽然小球模型不是MEMS加速度计的实际样子，但是对于理解工作原理，通过工作原理来理解传感器的信号发生方式是非常简便有效的方式，这里再把这个小球模型的图如下展示：

和陀螺仪一样，MEMS加速度计也是一种微电子机械系统。加速度计的种类非常多，市面上最常见成熟的，也是大家讨论最多的就是电容式加速度计。
其外观如下图：
加速度计的工作原理图：

将多个相同的加速度计在不同方向上进行简单的组装，就组成了三轴加速度计，能够同时检测三个方向上的加速度值。
在传感器得到不同的电容量的同时，传感器内部电路能够将电容的变化量反映到输出电压上。
跟陀螺仪相似的是，这两者都需要将电压值转换为具体的数值，这就涉及到ADC转换来完成这部分内容。
关于ADC电压采集可以参考其他资料，在MEMS传感器中，使用公式：
VoltsRx = AdcRx * VREF / 1023
其中VoltsRx是传感器电压值，VREF 是参考电压，AdcRx 是ADC采集到的数据，公式中采用的是十位的ADC采集，所以十位数总的数值是1023。运用此公式就能够得出传感器的原始数据。对于加速度传感器，除参考电压外还有一个零加速度的电压值，这个电压值对应的是加速度为零。
最终，我们得到的加速度的值的计算公式就变成了
Rx=(AdcRx*Vref / 1023 – VzeroG) / Sensitivity
其中Sensitivity是灵敏度，及物理加速度和传感器计算电压的数学换算关系，不同型号的加速度计在数据手册中就会给出。
需要注意的是，一般加速度计测量的是正交三轴坐标系的三个方向的加速度，其中z轴加速度就是重力方向。在横滚角和俯仰角度上由于加速度计长期数值稳定，所以可以利用加速度计来校准陀螺仪的偏航和横滚。但是在偏航角无法用加速度计进行校准。所以这个情况下迫切需要一个更加准确的传感器来校准偏航角，这就是在惯性导航系统中磁力计存在的意义。关于这部分内容在之后更新的博客中会更加详细地讨论。

磁力计

磁力计，又叫磁强计，电子罗盘，其本质是通过物理效应对地球的地磁场进行测量，从未能够得出一个相对地球地面的“绝对”角度。因为磁力计有一个绝对正确的角度，它和加速度计一样可以对陀螺仪的数据进行矫正，特别是偏航角。但是磁力计短时间的响应速度不够快（你可以理解为手里拿着传统罗盘，在旋转的过程中罗盘都有一个回位的过程），所以磁力计的数据用来矫正长期的不稳定数据。
根据文献资料，目前国内市场上销售的磁力计有三种类型，磁通门式，霍尔效应式和磁阻式。由于磁阻式传感器已经能做到硅片上，所以我们常使用的就是磁阻传感器。
那么什么是磁阻效应呢？其实到这里我们可以不用知道具体的实现原理了，毕竟涉及到传感器的知识。但是掌握传感器的物理意义有助于更好地使用和理解磁力计。
简单理解磁阻效应，具有各向异性的磁性材料在受到不同磁场的作用下电阻阻值会发生变化，所以传感器的角度变化会反映到磁场的角度，影响材料的电阻。通常这四个电阻会组成电桥，成功将地磁场信号转化为电信号。这就是磁力计的物理原理。

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