傳感器原理及項目實戰(zhàn) 課件 項目10-位姿檢測

項目10

位姿檢測

主講人目錄10.1認(rèn)識位姿傳感器10.2GPS傳感器應(yīng)用實訓(xùn)10.3數(shù)字指南針應(yīng)用實訓(xùn)10.4思考與練習(xí)

隨著科技的快速發(fā)展，我們正逐漸邁向第四次工業(yè)革命。第四次工業(yè)革命是指在數(shù)字化、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域中的突破性進展所引發(fā)的一系列技術(shù)和社會變革。它將對我們的生產(chǎn)方式、生活方式和社會結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大影響。

目前，機器人、無人駕駛汽車、無人機等技術(shù)突飛猛進，正在不斷改變著我們的生活方式。要實現(xiàn)對機器人、無人駕駛、無人機這些移動的物體的智能控制，就要不斷檢測它們的位置和姿態(tài)，只有這樣才能保證它們按照人們的意志或設(shè)定好的程序進行工作。

位姿傳感器是一種重要的智能設(shè)備,用于測量物體的位置、方向和姿態(tài)。位姿傳感器在工業(yè)自動化、航空航天、機器人和虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域中都有廣泛應(yīng)用。在項目9講述的三軸加速度傳感器、陀螺儀等運動量傳感器也屬于位姿傳感器，本章節(jié)主要講述GPS衛(wèi)星定位傳感器和電子羅盤傳感器。通過學(xué)習(xí)，熟悉GPS衛(wèi)星定位傳感器、電子羅盤的工作原理，了解GPS衛(wèi)星定位傳感器、電子羅盤的使用方法及應(yīng)用領(lǐng)域。知識目標(biāo)識目標(biāo)技能目標(biāo)通過實踐和訓(xùn)練，掌握GPS定位傳感器、電子羅盤傳感器的選型及實際應(yīng)用，掌握GPS定位傳感器、電子羅盤傳感器和STM32的接口技術(shù)和編程技術(shù)。認(rèn)識位姿傳感器10.110.1認(rèn)識位姿傳感器10.1.1GPS傳感器

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)如GPS（全球定位系統(tǒng)）是利用衛(wèi)星信號來確定目標(biāo)的位置。它具有全球覆蓋、高精度、實時性強等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于軍事、民用領(lǐng)域。目前，全球有四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，分別是美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）、歐洲的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo）和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）。GPS傳感器是實現(xiàn)GPS定位功能的關(guān)鍵部件，它通過接收衛(wèi)星發(fā)射的信號，并利用信號的特性來計算出接收器的位置信息。GPS傳感器是實現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性定位和導(dǎo)航的關(guān)鍵部件之一。1.GPS定位原理GPS的定位原理就是三角定位法。簡單來說，就是通過測量不同位置的衛(wèi)星和接收器之間的距離，從而確定接收器的位置，如圖10-1所示：（1）如果以一顆衛(wèi)星測出來的距離做參考，則接收器所在位置可以是紅圈內(nèi)的任意一點；（2）如果以兩顆衛(wèi)星所測出的距離做參數(shù)，則接收器在所在位置可以是紅、藍(lán)兩個圈上的相交的兩點其中一點，可以是P，或是X；（3）一旦以三顆衛(wèi)星所測出來的距離做參數(shù)時，就可以鎖定接收器所在位置P了。

圖10-1GPS定位原理2.GPS傳感器的工作過程GPS傳感器的工作過程可以分為三個步驟：信號接收、信號解碼和位置計算。

（1）GPS傳感器通過天線接收到來自衛(wèi)星的信號：GPS系統(tǒng)由全球范圍內(nèi)的多顆衛(wèi)星組成，這些衛(wèi)星以特定的軌道運行，每顆衛(wèi)星都會周期性地向地面發(fā)送信號。GPS傳感器的天線會接收到這些衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，信號中包含了衛(wèi)星的位置信息、時間信息以及其他輔助信息。

（2）GPS傳感器對接收到的信號進行解碼。接收到的信號是以數(shù)字信號的形式傳輸?shù)?，GPS傳感器會將其解碼為可以理解的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括衛(wèi)星的編號、衛(wèi)星的位置和時間信息等。解碼是一個關(guān)鍵的步驟，它需要對信號進行處理和分析，以提取出有用的信息。

（3）GPS傳感器利用解碼后的數(shù)據(jù)計算接收器的位置：首先，測量信號從衛(wèi)星到接收器的傳播時間，由于信號的傳播速度是已知的，通過測量傳播時間就可以計算出信號在空間中傳播的距離；其次，傳感器根據(jù)接收到的多顆衛(wèi)星信號計算出接收器與每顆衛(wèi)星的距離；再次，傳感器將接收到的多顆衛(wèi)星的距離信息輸入到數(shù)學(xué)模型中，該模型會根據(jù)衛(wèi)星的位置、接收器與衛(wèi)星的距離以及其他輔助信息來計算出接收器的經(jīng)緯度坐標(biāo)；最后，GPS傳感器就可以準(zhǔn)確地確定接收器的位置了。3.GPS傳感器的特點?高精度：GPS傳感器可以提供厘米級的定位精度，適用于需要高精度定位的場景

，如農(nóng)業(yè)、導(dǎo)航等；?全天候：GPS傳感器不受天氣影響，可以在任何天氣條件下進行定位和導(dǎo)航；?自動化：GPS傳感器可以自動接收GPS信號，并計算出位置信息，無需人工干預(yù)；?廣泛性：GPS傳感器不僅應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，還廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域，如交通、

農(nóng)業(yè)、氣象等；?實時性：GPS傳感器可以實時提供位置信息，適用于需要實時監(jiān)測的場景；?可靠性：GPS傳感器可以接收到可靠的信號，即使在城市峽谷、森林

等信號遮擋嚴(yán)重的地區(qū)也能正常工作；?抗干擾能力強：GPS傳感器具有抗干擾能力，可以在復(fù)雜的環(huán)境中正

常工作；?操作簡便：現(xiàn)代的GPS接收機越來越注重用戶體驗，操作簡單易行。雖然GPS傳感器具有許多優(yōu)點，但也有一些限制，例如需要良好的視野以接收衛(wèi)星信號，以及在建筑物密集或山區(qū)等地區(qū)可能出現(xiàn)信號遮擋或失真現(xiàn)象。4.GPS傳感器的應(yīng)用GPS傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括以下幾個方面：（1）車輛管理：GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)可以記錄車輛的行駛軌跡和各種數(shù)據(jù)，并進行分析和統(tǒng)計，實現(xiàn)對車輛的實時監(jiān)控、調(diào)度指揮、緊急救援等。（2）位置追蹤：GPS傳感器可以用于個人位置追蹤，防止兒童和老人走失。還可用于貴重貨物跟蹤、野生動物追蹤、汽車防盜等。（3）路線導(dǎo)航：GPS傳感器應(yīng)用于路線導(dǎo)航可以提供非常準(zhǔn)確和實時的導(dǎo)航服務(wù)。在導(dǎo)航系統(tǒng)中，GPS傳感器與其他傳感器和數(shù)據(jù)源相結(jié)合，如攝像頭、激光雷達(dá)、高精度地圖等，可以提供更加精確和智能的導(dǎo)航服務(wù)。（4）軍事：通過GPS傳感器，部隊可以實時獲取戰(zhàn)場的地理信息，如地形、地貌、河流等，實現(xiàn)導(dǎo)彈精確制導(dǎo)以及無人系統(tǒng)控制與協(xié)同等。（5）現(xiàn)代農(nóng)業(yè)：在聯(lián)合收割機上配置計算機、產(chǎn)量監(jiān)視器和GPS接收機，就構(gòu)成了作物產(chǎn)量監(jiān)視系統(tǒng)。農(nóng)業(yè)無人機可以利用GPS傳感器進行農(nóng)藥噴灑、精準(zhǔn)播種和施肥等作業(yè)。10.1.2電子羅盤

電子羅盤傳感器是一種利用磁阻效應(yīng)測量地球磁場矢量的傳感器，它廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、定位、姿態(tài)控制等領(lǐng)域。

電子羅盤與傳統(tǒng)指針式和平衡架結(jié)構(gòu)羅盤相比，能耗低、體積小、重量輕、精度高、可微型化，其輸出信號通過處理可以實現(xiàn)數(shù)碼顯示，不僅可以用來指向，其數(shù)字信號可直接送到自動舵，控制船舶的操縱。電子羅盤可以分為平面電子羅盤和三維電子羅盤。平面電子羅盤要求用戶在使用時必須保持羅盤的水平，否則當(dāng)羅盤發(fā)生傾斜時，也會顯示航向變化，而實際上航向并沒有變化。雖然平面電子羅盤對使用條件要求很高，但如果能保證羅盤所附載體始終水平，平面羅盤是一種性價比很好的選擇。三維電子羅盤克服了平面電子羅盤在使用中的嚴(yán)格限制，因為三維電子羅盤在其內(nèi)部加入了傾角傳感器，如果電子羅盤發(fā)生傾斜時可以對羅盤進行傾斜補償，這樣即使羅盤發(fā)生傾斜，航向數(shù)據(jù)依然準(zhǔn)確無誤。所以，目前三維電子羅盤得到了更廣泛的應(yīng)用。1.三維電子羅盤工作原理

三維電子羅盤由三維磁阻傳感器、雙軸傾角傳感器和MCU構(gòu)成。三維磁阻傳感器用來測量地球磁場，傾角傳感器是在磁力儀非水平狀態(tài)時進行補償，MCU處理磁力儀和傾角傳感器的信號以及數(shù)據(jù)輸出和軟鐵、硬鐵補償。

三維磁阻傳感器由三個互相垂直的磁阻傳感器組成，每個軸向上的傳感器檢測在該方向上的地磁場強度。向前或x方向的傳感器檢測地磁場在x方向的矢量值；向右或Y方向的傳感器檢測地磁場在Y方向的矢量值；向下或Z方向的傳感器檢測地磁場在Z方向的矢量值，如圖10-2所示，圖中的Hnorth代表磁北極方向，Hearth為地球磁場強度方向。（1）當(dāng)電子羅盤處于水平位置，那么僅用地磁場在X和Y的兩個分矢量值便可確定方位值：

(10-1)

式中α為航向角。（2）當(dāng)儀器發(fā)生傾斜時，方位值的準(zhǔn)確性將要受到很大的影響，該誤差的大小取決于儀器所處的位置和傾斜角的大小。為減少該誤差的影響，采用雙軸傾角傳感器來測量俯仰角（θ）和側(cè)傾角（β），俯仰角被定義為由前向后方向的角度變化；而側(cè)傾角則為由左到右方向的角度變化。電子羅盤對俯仰角和側(cè)傾角的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換計算，將磁力儀在三個軸向上的矢量由原來的位置“拉”回到水平的位置。標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換計算式為：

(10-2)

式中，Xr和Yr為要轉(zhuǎn)換到水平位置的值，X、Y、Z為三個方向的矢量值，θ為俯仰角，β為側(cè)傾角。

通過式（10-2）可以獲得電子羅盤傾斜后換算出來的水平位置值，那么根據(jù)式（10-1）就可以計算出正確的航向角α了。2.電子羅盤傳的特點?三軸磁阻效應(yīng)傳感器測量平面地磁場，雙軸傾角補償；?高速高精度A/D轉(zhuǎn)換；?內(nèi)置微處理器計算傳感器與磁北夾角；?具有簡單有效的用戶標(biāo)校指令；?具有指向零點修正功能；?外殼結(jié)構(gòu)防水，無磁。電子羅盤的原理是測量地球磁場，如果在使用的環(huán)境中有除了有地球以外的磁場且這些磁場無法有效的屏蔽時，那么電子羅盤的使用就有很大的問題，這時只能考慮使用陀螺來測定航向了。3.電子羅盤傳的應(yīng)用電子羅盤作為一種高精度的導(dǎo)航設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于航海、航空、搜救、科研以及消費類電子等各種領(lǐng)域。GPS傳感器應(yīng)用實訓(xùn)10.210.2GPS傳感器應(yīng)用實訓(xùn)10.2.1實訓(xùn)目的及要求通過實訓(xùn)，了解GPS傳感器ATGM336H的工作原理，掌握ATGM336H與STM32F407ZGT6芯片接口技術(shù)及編程技術(shù)，能夠使用GPS傳感器ATGM336H進行定位檢測，在液晶顯示屏幕顯示日期、時間、經(jīng)緯度等信息。10.2.2GPS傳感器ATGM336H簡介1.ATGM336H的性能指標(biāo)ATGM336H支持BDS/GPS/GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的單系統(tǒng)定位，以及任意組合的多系統(tǒng)聯(lián)合定位的接收機模塊，內(nèi)置天線檢測電路及內(nèi)置天線短路保護功能，具有功耗低、靈敏度高、低成本的特點，其主要技術(shù)指標(biāo)：

?通道數(shù)目：32通道；?冷啟動捕獲靈敏度：-148dBm；?跟蹤靈敏度：-162dBm;?定位精度：2.5m(CEP50,開闊地)；?首次定位時間：32秒；?低功耗：連續(xù)運行<25mA(@3.3V)；?內(nèi)置天線檢測及天線短路保護功能。CEP(CircularErrorProbability)指的是圓概率誤差，是一個用來衡量定位精度的單位

2.ATGM336H的引腳定義ATGM336H的封裝尺寸為9.7mm×10.1mm×2.4mm，如圖10-3所示。圖10-4為ATGM336H的引腳配置圖，其引腳定義見表10-1。圖10-3ATGM336H的封裝圖圖10-4ATGM336H的引腳配置圖表10-1ATGM336H的引腳定義3.ATGM336H典型應(yīng)用電路

GPS傳感器ATGM336H模塊通過串口和MCU傳輸數(shù)據(jù)，支持有源及無源天線的應(yīng)用場景，有源的方案模塊內(nèi)部提供天線檢測及短路保護功能，建議有源天線增益范圍15~30dB，使模塊工作在最佳的狀態(tài)，如圖10-5所示。如果采用無源天線方案，可在模塊前級增加一顆LNA（低噪聲放大器）芯片來提高性能，如圖10-6所示。圖10-5ATGM336H有源天線應(yīng)用方案圖10-6ATGM336H無源天線應(yīng)用方案10.2.3GPS傳感器ATGM336H硬件接口電路設(shè)計

GPS傳感器ATGM336H應(yīng)用實訓(xùn)原理圖如下圖所示。ATGM336H傳感器第2、3、5引腳串接22歐姆電阻，分別連接到STM32F407的PD2、PC12、PE9引腳。10.2.4程序設(shè)計

本次實訓(xùn)的任務(wù)是采用GPS模塊ATGM336H進行定位檢測，該任務(wù)功能主要由main.c程序文件來完成，main.c啟動GPS定位模塊并通信，將獲得的數(shù)據(jù)進行處理并在LCD液晶屏上顯示。本實訓(xùn)程序設(shè)計的要點如下：（1）配置RCC寄存器組，開啟USART5時鐘，開啟GPIOC、GPIOD、GPIOG時鐘；（2）配置GPIO端口，設(shè)置GPIOC.12、GPIOD.2為復(fù)用推挽模式，有上拉電阻；配置GPIOE.9為推挽、輸出模式，無上拉/下拉電阻；（3）配置USART5，主要參數(shù)為：使用9600bps波特率、8位數(shù)據(jù)長度、1個停止位且無校驗位、全雙工模式；（4）串口通信、數(shù)據(jù)處理并顯示。10.2.5程序運行結(jié)果

掃描二維碼獲得整個工程文件，編譯并運行程序，可以看到液晶顯示屏顯示當(dāng)前的日期、時間、經(jīng)緯度以及定位是否成功等信息。數(shù)字指南針應(yīng)用實訓(xùn)10.310.3數(shù)字指南針應(yīng)用實訓(xùn)10.3.1實訓(xùn)目的及要求通過實訓(xùn)，掌握三軸數(shù)字指南針傳感器芯片HMC5883L與STM32F407ZGT6的接口技術(shù)，掌握I2C總線編程技術(shù)以及HMC5883L芯片的控制技術(shù)，能夠使用數(shù)字指南針傳感器芯片HMC5883L對X、Y、Z三個軸向的地磁向量進行檢測，在液晶顯示屏幕顯示X、Y、Z軸三個方向的地磁向量及航向角。10.3.2三軸數(shù)字指南針傳感器芯片HMC5883L簡介1.HMC5883L的工作原理霍尼韋爾HMC5883L是一款帶有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片。采用高度集成技術(shù)，HMC5883L包括最先進的高分辨率HMC118X系列磁阻傳感器，并附帶霍尼韋爾專利的集成電路包括放大器、自動消磁驅(qū)動器、偏差校準(zhǔn)以及能使羅盤精度控制在1°~2°的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、簡易的I2C系列總線接口。電子指南針羅盤HMC5883L是三軸磁阻傳感器，用來測量周圍的磁感應(yīng)強度，測量范圍-8Gs~8Gs（高斯），能在±8高斯的磁場中實現(xiàn)5毫高斯分辨率，在相應(yīng)軟件及算法支持下計算出航向角。2.HMC5883L的特點及性能指標(biāo)

HMC5883L主要應(yīng)用于低成本羅盤和磁場檢測領(lǐng)域，例如手機、筆記本電腦、消費類電子、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)和個人導(dǎo)航系統(tǒng)，其主要特點及性能指標(biāo)：?三軸磁阻傳感器和ASIC（專用集成電路設(shè)計）都被封裝在3.0x3.0x0.9mmLCC表面裝配中；?12-bitADC與低干擾AMR（各向異性磁電阻）磁力傳感器，能在±8高斯的磁場中實現(xiàn)5毫高斯分辨率；?內(nèi)置自檢功能；?低電壓工作(2.16-3.6V)和超低功耗(100uA)；?內(nèi)置驅(qū)動電路；?I2C數(shù)字接口；?無引線封裝結(jié)構(gòu)；?磁場范圍廣(±8Gs)；?有相應(yīng)軟件及算法支持；?最大輸出頻率可達(dá)160Hz。3.HMC5883L管腳定義

HMC5883L是采用無鉛表面封裝技術(shù)，尺寸3.0X3.0X0.9mm。圖10-9為HMC5883L的管腳配置圖，表10-2為HMC5883L的管腳定義。圖10-9HMC5883L管腳配置圖表10-2HMC5883L管腳定義3.HMC5883L的典型接線方式HMC5883L芯片有兩種電源管理模式，引腳VDD為芯片的內(nèi)部操作提供電源，引腳VDDIO為IO口提供電源。當(dāng)VDD引腳和VDDIO引腳接相同的電源時，HMC5883L芯片可以工作在單電源模式下，其典型接線如圖10-10所示。當(dāng)VDD引腳和VDDIO引腳各自接獨立的電源，HMC5883L工作在雙電源模式，其典型接線如圖10-11所示。圖10-10HMC5883L的單電源典型接線圖10-11為HMC5883L的雙電源典型接線10.3.3三軸數(shù)字指南針傳感器芯片HMC5883L硬件接口電路設(shè)計

三軸數(shù)字指南針傳感器芯片HMC5883L應(yīng)用實訓(xùn)原理圖如右圖所示。HMC5883L芯片第1引腳（SCL）、第16引腳（SDA）、第15引腳（REDY）分別接STM32F407ZGT6芯片的PE1引腳、PB13引腳、PF15引腳。10.3.4程序設(shè)計

本次實訓(xùn)的任務(wù)是采用三軸數(shù)字指南針傳感器芯片HMC5883L進行航向角的檢測，該任務(wù)功能主要由main.c和HMC5883.c程序文件來完成，HMC5883.c完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及通信，main.c調(diào)用數(shù)據(jù)并完成在液晶屏顯示。本實訓(xùn)程序設(shè)計的要點如下：（1）配置RCC寄存器組，開啟GPIOB、GPIOE、GPIOF時鐘；（2）配置GPIOB.13為開漏、輸出模式，有上拉電阻；GPIOE.1為推挽、輸出模式，GPIOF.15推挽、輸入模式，無上拉/下拉電阻；（3）I2C通信、數(shù)據(jù)處理及顯示。10.3.5程序運行結(jié)果

掃描課本中的二維碼獲得整個工程文件，編譯并運行程序，可以看到液晶顯示屏顯示X、Y、Z軸的地磁數(shù)值以及航向角。由于本實訓(xùn)程序中沒有考慮俯仰角和傾斜角，所以電子羅盤模塊需要水平放置，否則會出現(xiàn)較大誤差。