[发明专利]一种用于MEMS陀螺仪的角度测量系统及其方法

摘要

本发明公开了一种用于MEMS陀螺仪的角度测量系统及其方法，其涉及陀螺仪角度测量技术领域。该系统包括功率电源模块、基准电压模块、MEMS陀螺仪芯片、高精度AD转换模块和单片机模块，其中功率电源模块为电路中各芯片和期间提供电源；基准电源模块为MEMS陀螺仪芯片和AD转换模块提供高精度的基准电压；MEMS陀螺仪芯片实现对角速度测量并输出模拟信号；高精度AD转换模块负责将陀螺仪芯片的原始模拟信号转换成数字量，并传输给单片机模块；该方法通过卡尔曼滤波抑制静态情况下的零点漂移，动态旋转时则通过二阶低通滤波器降噪并保证角度跟踪的动态性能，将两种滤波器的优势有机结合，最终实现高精度稳定的角度测量。

主权项

一种用于MEMS陀螺仪的角度测量方法，其包括一种用于MEMS陀螺仪的角度测量系统，所述角度测量系统包括功率电源模块、基准电压模块、MEMS陀螺仪芯片、高精度AD转换模块和单片机模块；所述基准电压模块分别与MEMS陀螺仪芯片和高精度AD转换模块连接；所述功率电源模块分别与MEMS陀螺仪芯片、高精度AD转换模块和单片机模块连接；所述高精度AD转换模块还分别与MEMS陀螺仪芯片和单片机模块连接；所述单片机模块通过串行通信接口与外部设备连接以实现角度数据的对外传送；所述功率电源模块包括TPS5430芯片、REG113芯片和TPS7A8001芯片；其中，TPS5430芯片将24V转换6V，REG113芯片将6V转换为提供给单片机和AD模块的3.3V电源；TPS7A8001芯片将6V转换为提供给MEMS陀螺仪芯片的5V电源；所述的基准电压模块采用ADR425芯片，输出的5V电压作为AD转换模块和MEMS陀螺仪芯片的基准参考电平；所述的MEMS陀螺仪芯片选用ADI生产的ADIRS620；所述的高精度AD转换模块选用TI生产的16位高精度A/D芯片ADS8327，并通过SPI总线将AD转换后的角速度数据传入单片机模块中；所述的单片机模块选用ST的stm32f405RGT6，并通过串行通信外设将算法和程序运行得到的角度数据对外发送；所述角度测量方法具体包括以下步骤：步骤1)，采样MEMS陀螺仪原始输出信号，并经AD转换后得到角速度数据；步骤2)，对角速度数据进行滑动平均滤波，剔除队列中的极值后再进行均值运算，避免局部异常数据的干扰；步骤3)，对步骤2)得到的数据进行卡尔曼滤波，滤波结果与陀螺仪静态零点进行窗口阈值比较；若在阈值内，则判断为静态数据，送入队列用于更新零点，抑制零点漂移；若在阈值外，则判断为动态旋转数据，则转步骤4)继续处理；步骤4)，对步骤2)得到的数据进行二阶低通滤波，滤波结果与陀螺仪静态零点作差，并与旋转系数、时间系数相乘转化为角度增量；步骤5)，利用定时器中断机制对角度增量进行高精度实时积分，得到角度数据并通过串行接口发出；步骤6)，转至步骤1)，循环执行算法，实现角度值实时更新。