mag-10a 微型动态航姿系统 用户指南
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微 型 航 姿 参 考 系 统
MAG -10A
用 户 指 南
2012 年 2 月10 日
‐10A 用户指南 Version 1.30
1. 简介
CGSENS的微型航姿参考系统(AHRS)MAG-10A是一款微型的全姿态测量传感装置,它由三轴MEMS陀
螺、三轴 MEMS 加速度计、三轴磁阻型磁强计等三种类型的传感器构成。三轴陀螺用于测量载体三个
方向的的绝对角速率,三轴加速度计用于测量载体三个方向的加速度,在系统工作中,主要作用是
感知系统的水平方向的倾斜,并用于修正陀螺在俯仰和滚动方向的漂移,三轴磁阻型磁强计测量三
维地磁强度,用于提供方向角的初始对准以及修正航向角漂移。 微型航姿参考系统 MAG-10A 可提
供的输出数据有:原始数据、四元数、姿态数据等(产品外形如图 1 所示)。
图1 微型航姿参考系统(AHRS)MAG-10A外形)
2. 特性
实时三轴惯性输出;
大于 100Hz 的内部更新率;
尺寸小、重量轻;
低功耗;
RS-232/RS-485A 串行接口,方便连接。
3. 应用领域
车载控制系统;
航空航天电子系统;
虚拟现实系统;
平台稳定系统;
机器人控制等。
4. 工作原理及软硬件框图
CGSENS 微型航姿参考系统(AHRS)MAG-10A采用陀螺来测量载体的绝对角速率,然后载体的姿态
角(航向角、俯仰角和滚动角)就可以通过陀螺输出数据的特定的解算方法来获得。加速度计用于
确定MAG-10A初始的姿态,并修正并确定陀螺在水平方向 (俯仰角和滚动角) 的漂移 。三轴磁阻
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MAG
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型磁强计用于提供方位角的初始对准以及修正陀螺的航向角漂移。微型航姿参考系统(AHRS)
MAG-10A 内部的嵌入式处理器中设计有传感器融合算法,重力测量值(通过加速度计)和磁北向
测量值(通过磁力计)有机融合并对漂移进行补偿,避免了因为角速率数据的积分运算带来的误差
的无限累积。而微型航姿参考系统(AHRS)MAG-10A 比无陀螺的电子罗盘具有很大的优势,在
动态情况下它能够精确解算航姿,而一般的电子罗盘只能在静态条件下运用,在动态情况下无法得
到精确的航姿信息。微型航姿参考系统(AHRS)MAG-10A 可以可靠提供全姿态信息和原始数据,
数据更新率可达到 100Hz 以上。
图2 微型航姿参考系统(AHRS)MAG-10A硬件框图
图3 微型航姿参考系统(AHRS)MAG-10A 软件框图
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5. 规格
表1 MAG-10A 绝对最大额定值
性能指标 参 数 单位
供电电压 (Vss-Vdd) -0.3 … +9 V
引脚电压范围 -7 … +12 V
结温 +125 ºC
表2 MAG-10A 性能指标
性能指标 参 数 单位
输出数据格式 原始数据、姿态角、四元数
内部更新率 100 Hz
启动时间 < 1 sec
静态角度误差(俯仰、滚动) ± 0.1 degree
动态角度误差(俯仰、滚动) ± 1.0 degree
静态角度误差(航向) ± 0.5 degree
动态角度误差(航向) ± 2 degree
航向角分辨率 <0.1 degree
加速度计测量范围 ± 2, ± 4, ± 8, g
加速度计零偏稳定性 ± 0.003 (± 2g) g
加速度计非线性 0.2 % -
速率陀螺测量范围 ± 300, ± 500 , ± 2000 °/sec
速率陀螺零偏稳定性 ± 0.2 ( 在 ± 300°/秒时) °/sec
速率陀螺非线性 0.2 % -
磁力计测量范围 ±1.3 Gauss
磁力计非线性 0.4 % -
磁力计零偏稳定性 0.01 Gauss
短时冲击 500 (Not reinforced) g
表3 MAG-10A 电气特性
电气特性 最小 典型 最大 单位
供电电压 4.5 5.0 9.0 V
供电电流 40 60 80 mA
功耗 <300 mW
表4 MAG-10A 物理特性
物理特性 参 数 单位
尺寸 28x34x19(长x宽x高) mm
重量 18 gram
规定温度范围 +25 ºC
工作温度范围 -25 +70 ºC
存储温度范围 -25 +80 ºC
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表5 MAG-10A 引脚定义
序号 名称 功 能
1 +5V 供 电
2 RX/B RS232/B-RS485
3 TX/A RS232/A-RS485
4 GND 地
A/B
从陀螺仪、加速度计、磁力计以及内部温度传感器得到的数据,全部被传输到嵌入式系统-数字
信号处理器(DSP)中。数字信号处理器(DSP)依据特定的算法以及存储在 Flash 存储器中的标定
数据处理来自传感器的原始数据,作为其基本算法,微型航姿参考系统(AHRS)MAG-10A 采用
自适应卡尔曼滤波算法,该算法能够自动调整并适应不断变化的动态条件,而无需外部人为的干预。
每一个微型航姿参考系统(AHRS)MAG-10A 产品均在特定的环境实验条件下,并参考已知
温度下的加速度、角速率和磁场进行全面的标定,并将标定数据输入每个产品中。用户可以通过 串
口收发接口接收航姿信息及原始数据,同时也可以通过命令方式进行交互操作(详见微型航姿参考
系统(AHRS)MAG-10A 通信协议) 。微型航姿参考系统(AHRS)MAG-10A 的供电电源标准值
为 DC+5.0V,数据线和电源线整合在一个接插装置中,方便使用,各引脚定义参见表 3。
6. 机械尺寸
微型航姿参考系统(AHRS)MAG-10A尺寸如图4所示。
图4 微型航姿参考系统(AHRS)MAG-10A尺寸
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7 通讯协议及使用
7.1 通讯接口及设置参数
微型航姿参考系统(AHRS)MAG-10A接口采用标准RS232和RS485A串行接口,系统加电后,
程序在处理器中运行,并通过串行接口连接通讯,启动时间小于 1 秒。接口参数设置如表 6:
表 6
波特率 115200
数据位数 8
校验位 无
停止位 1
7.2 通讯协议结构
微型航姿参考系统(AHRS)MAG-10A 的通讯协议采用统一的报文包结构形式,有效传输数
据长度为 0-255 字节,总长度为 5-260 字节。其结构形式如下:
PRE BID MID LEN DATA CS
表 7
字节段 字节数 描 述
PRE 1 字节 首字节,表示包起始(0xFA)
BID 1 字节 设备地址(默认:0x01)
MID 1 字节 报文种类(命令)
LEN 1 字节 数据长度
DATA 0 – 255 字节 数据
CS 1 字节 校验位
首字节(起始字节)(PRE)
每个消息包都以该字节作为起始字节,是一个特定字节,本版本下首字节为 0xFA(250)。
设备地址(BID)
每个微型航姿参考系统(AHRS)MAG-10A/都有的设备地址定义,默认为0x01(1) 。
报文种类(命令)(MID)
该字节段表示何种报文(命令),具体意义见 7.3。
数据长度 (LEN)
表示数据(DATA)的长度,取值为 0-255。如果为 0,表示无数据字节。
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数据(DATA)
报文中包含的有效数据,数据大小由数据长度(LEN)限定。
校验位(CS)
该字节段为一个字节,是报文的校验字节。它是由除其本身外所有字节的异或(XOR)计算得出。
7.3 通讯协议
一般每个报文包含特定的 MID 值,以及和报文种类(命令)MID 相对应的数据长度的数据。用
户使用的协议通常包括:
完全数据输出方式(原始数据);
完全数据输出方式;
姿态角输出方式;
四元数输出方式;
姿态角及四元数输出方式。
7.3.1 输入报文格式
输入报文内容包括:
AHRS0 AHRS1, AHRS2, AHRS3, AHRS4 命令
AHRS0 命令-完全数据输出方式(原始数据),连续输出 MID=0x80,单步输出 MID=0x81;
AHRS1 命令-完全数据输出方式 ,连续输出 MID=0x82,单步输出 MID=0x83;
AHRS2 命令-姿态角输出方式,连续输出 MID=0x84,单步输出 MID=0x85;
AHRS3 命令-四元数输出方式,连续输出 MID=0x86,单步输出 MID=0x87;
AHRS4 命令-姿态角及四元数输出方式,连续输出 MID=0x88,单步输出 MID=0x89;
停止命令:FA 01 FF 00 04
在收到输入报文后,微型航姿参考系统(AHRS)MAG-10A 将立即响应,并执行相应的命令,
连续或单步输出相应报文信息。
输入报文示例:
AHRS1 命令 – 完全数据输出方式;
输出报文:
0xFA 0x01 0x82 0x00 0x7B
输出报文:
0xFA 0x01 0x82 0x40 LL LH HL HH … … … … LL LH HL HH CS
\________(数据区 64 字节)________/
输出的报文前三个字节和输入报文相同,表示设备连接正常。第 4 字节为数据长度,0x40
(64),表示数据区有 64 个字节的有效数据,末尾字节 CS 为前面所有字节的异或(XOR)。
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7.3.2 输出报文格式
如上面描述,用户可选择上述任一方式。
表 8:输出报文格式
字节段 字节数 字节号 描 述
PRE 1字节 0 首字节,表示包起始(0xFA)
BID 1字节 1 设备地址(默认:0x01)
MID 1字节 2 报文种类(命令)
LEN 1字节 3 数据长度
Data1 4字节 4-7 数据Data1
DataN 4字节 4N 数据DataN
CS 1字节 4(N+1) 校验位
表 9:AHRS0 命令-完全数据输出方式(原始数据),连续输出 MID=0x80,单步输出 MID=0x81
字节段 字节数 字节号 描 述
PRE 1字节 0 首字节,表示包起始(0xFA)
BID 1字节 1 设备地址(默认:0x01)
MID 1字节 2 0x80(或0x81)
LEN 1字节 3 0x40(64)
Acc1 4字节 4-7 X轴加速度计原始数据 (mg)
Acc2 4字节 8-11 Y轴加速度计原始数据 (mg)
Acc3 4字节 12-15 Z轴加速度计原始数据 (mg)
Gyro1 4字节 16-19 X轴陀螺角速率原始数据 (rad/s)
Gyro2 4字节 20-23 Y轴陀螺角速率原始数据 (rad/s)
Gyro3 4字节 24-27 Z轴陀螺角速率原始数据 (rad/s)
Mag1 4字节 28-31 X轴磁强计原始数据 (mguass)
Mag2 4字节 32-35 Y轴磁强计原始数据 (mguass)
Mag3 4字节 36-39 Z轴磁强计原始数据 (mguass)
Quat0 4字节 40-43 四元数1 W (scalar)
Quat1 4字节 44-47 四元数2 X
Quat2 4字节 48-51 四元数3 Y
Quat3 4字节 52-55 四元数4 Z
Roll 4字节 56-59 滚动角 (deg)
Pitch 4字节 60-63 俯仰角(deg)
Yaw 4字节 64-67 方位角(deg)
CS 1字节 68 校验位
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表 10:AHRS1 命令-完全数据输出方式,连续输出 MID=0x82,单步输出 MID=0x83
字节段 字节数 字节号 描 述
PRE 1字节 0 首字节,表示包起始(0xFA)
BID 1字节 1 设备地址(默认:0x01)
MID 1字节 2 0x82(或0x83)
LEN 1字节 3 0x40(64)
Acc1 4字节 4-7 X轴加速度计(mg)
Acc2 4字节 8-11 Y轴加速度计(mg)
Acc3 4字节 12-15 Z轴加速度计(mg)
Gyro1 4字节 16-19 X轴陀螺角速率(rad/s)
Gyro2 4字节 20-23 Y轴陀螺角速率(rad/s)
Gyro3 4字节 24-27 Z轴陀螺角速率(rad/s)
Mag1 4字节 28-31 X轴磁强计(mguass)
Mag2 4字节 32-35 Y轴磁强计(mguass)
Mag3 4字节 36-39 Z轴磁强计(mguass)
Quat0 4字节 40-43 四元数1 W (scalar)
Quat1 4字节 44-47 四元数2 X
Quat2 4字节 48-51 四元数3 Y
Quat3 4字节 52-55 四元数4 Z
Roll 4字节 56-59 滚动角 (deg)
Pitch 4字节 60-63 俯仰角(deg)
Yaw 4字节 64-67 方位角(deg)
CS 1字节 68 校验位
表 11:AHRS2 命令 - 姿态角输出方式,连续输出 MID=0x84,单步输出 MID=0x85
字节段 字节数 字节号 描 述
PRE 1字节 0 首字节,表示包起始(0xFA)
BID 1字节 1 设备地址(默认:0x01)
MID 1字节 2 0x82(或0x83)
LEN 1字节 3 0x0C(12)
Roll 4字节 4-7 滚动角 (deg)
Pitch 4字节 8-11 俯仰角(deg)
Yaw 4字节 12-15 方位角(deg)
CS 1字节 16 校验位
表 12:AHRS3 命令 -四元数输出方式,连续输出 MID=0x86,单步输出 MID=0x87
字节段 字节数 字节号 描 述
PRE 1字节 0 首字节,表示包起始(0xFA)
BID 1字节 1 设备地址(默认:0x01)
MID 1字节 2 0x82(或0x83)
LEN 1字节 3 0x0C(12)
Quat0 4字节 4-7 四元数1 W (scalar)
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Quat1 4字节 8-11 四元数2 X
Quat2 4字节 12-15 四元数3 Y
Quat3 4字节 16-19 四元数4 Z
CS 1字节 20 校验位
表 13:AHRS4 命令-姿态角及四元数输出方式,连续输出 MID=0x88,单步输出 MID=0x89
字节段 字节数 字节号 描 述
PRE 1字节 0 首字节,表示包起始(0xFA)
BID 1字节 1 设备地址(默认:0x01)
MID 1字节 2 0x82(或0x83)
LEN 1字节 3 0x1C(28)
Quat0 4字节 4-7 四元数1 W (scalar)
Quat1 4字节 8-11 四元数2 X
Quat2 4字节 12-15 四元数3 Y
Quat3 4字节 16-19 四元数4 Z
Roll 4字节 20-23 滚动角 (deg)
Pitch 4字节 24-27 俯仰角(deg)
Yaw 4字节 28-31 方位角(deg)
CS 1字节 32 校验位
8 SY2303ZJH 驱动安装
在光盘中,Driver 目录下有 SY2303ZJH 的驱动安装程序,转接盒采用 USB 转 RS485/RS232 的方
案,USB 芯片采用 PL-2303 接口芯片。用户可使用配套光盘提供的驱动,也可以到 PL-2303 官方网
站下载该芯片的驱动程序并安装。
双击安装程序 PL2303_Prolific_DriverInstaller_v1.6.0 将出现如下界面(图 5)
图 5 驱动安装启动
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图 6 驱动安装完成
当出现图 6 所示界面后,点击“完成”,这样就完成了驱动的安装。
当插上 SY2303ZJH 的 USB 电缆插头后,发现硬件,需要继续安装,完成后打开“控制面板”的
“设备管理器”,可以发现系统中就有了安装的虚拟串口,如图 7所示,安装后在端口中可以看到安
装的 COM 口 Prolific USB-to-Serial Bridge(COM4)。
图 7 安装后插上 USB 电缆出现 COM 口
9 TinyCapture 演示软件使用
9.1 TinyCapture简介
TinyCapture软件是专门为MAG-10A系列微型航姿参考系统(MAHRS)设计的演示软件,主要
用于MAG-10A系列产品的演示和实验。
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主要功能:采用图形方式显示三轴加表、三轴陀螺、三轴磁阻等的输出数据,显示解算得到的
全方位姿态信息;采用三维图形(模型)直观显示运动状态;记录实时测试数据和操作记录。
TinyCapture 软件采用绿色软件设计理念,免安装。
TinyCapture 软件启动运行后的界面如图 8 所示。
图 8 TinyCapture 启动界面
9.2 设备连接及设置
点击界面菜单“Config”,弹出 SetComPort 界面如图 9 所示。通过下拉菜单可以选择设备地址
Device(Device1/Device2/……)对应地址为 0x01、0x02、… 。也可选择 Com 端口,设置好后点击
“OK”。
图 9 TinyCapture 选择串口和设备地址
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设置好设备地址和 Com 口后,就可以选择 Device 下拉菜单来连接设备了,或在启动后断开连接。
如图 10 所示。
图 10 TinyCapture 选择连接或断开
9.3 显示数据曲线
如果设置正确,连接设备后,在左边 4 个图形框中就可以实时显示数据曲线。这 4 个图形框分
别显示三轴陀螺、三轴加表、三轴磁阻的原始数据以及解算的姿态信息(Roll/Pitch/Yaw)。如图
11 所示。
图11 MAG-10A连接后数据和图像显示
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9.4 显示三维图形(模型)
图 11 中,右图是微型航姿参考系统(MAHRS)的运动姿态的三维图形显示画面,三维图形运动
姿态和解算的姿态角相对应。
为了提供更加直观的显示效果,TinyCapture 软件还可以加载三维模型,目前版本支持 OBJ 文
件格式。加载模型可以在图形框点击右键,将出现如图 12 的界面。
图 12 在图形框中右击,选择加载其它模型
其中,Default Model 是默认图形,而选择 Load Model 可加载三维模型文件,加载界面如图 13
所示。
图 13 查找模型(ObjModel 文件)并选择
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当加载了 OBJ 文件后,一个三维模型就被加载了,图 14 中就是加载了 plane.OBJ 文件后的效果,
可以看到一个三维模型飞机被加载并显示了。
图 14 选择模型并确认后效果
9.5 数据记录和操作信息记录
在软件界面的左上角,有 和 两个按钮,分别用于保存记录实时数据和停止保存记录。当
进行了该项操作后,在当前运行软件所在目录下将生成两个文件 DataRecord.TXT 和 Log.TXT。
DataRecord.TXT 中记录三轴陀螺、三轴加表、三轴磁阻的原始数据以及解算的姿态信息
(Roll/Pitch/Yaw),Log.TXT 中记录操作信息。需要注意的是,记录的文件将被下次记录的文件所
覆盖,所以如果需要保存数据,请将记录的数据文件拷贝到其它指定目录中。
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