載體的姿態(tài)測量是載體進行預(yù)計軌跡運動的基礎(chǔ)。姿態(tài)測量有多種方式，其中采用磁場傳感器測量大地磁場確定航向的方法由于結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、啟動迅速、成本低等特點，自古至今一直得到應(yīng)用。本文研究設(shè)計了一種基于可編程邏輯陣列（FPGA）的捷聯(lián)式車載汽車姿態(tài)實時測量系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有體積小、使用方便、成本低廉等優(yōu)點。

　　1 系統(tǒng)組成

　　本系統(tǒng)主要由傳感器組模塊、數(shù)據(jù)采集卡、便攜式計算機、電源等組成，系統(tǒng)硬件如圖1所示。

　　1.1 微慣性測量單元（MIMU）

　　微型慣性測量組合（Miniature Inertial Measurement Unit,MIMU）是一種重要的MEMS,它是由微型陀螺儀、微型加速度計，專用集成電路（ASIC）、嵌入式微機及相應(yīng)的導(dǎo)航軟件組成，可以提供運動載體的位置、速度和姿態(tài)信息。

　　自主設(shè)計的微慣性測量單元。由2個ADXL203型雙向加速度計和3個ADXRS150型角速度陀螺組成，要求3個角速度陀螺安裝在3個正交平面上，其敏感軸相互垂直，組成測量體的三維坐標系，2個雙向加速度計安裝在另外2個面上（剩下的1個面作為MIMU與汽車的安裝固定平面）。為了保證加速度計的敏感軸也組成三維坐標系，要求測量垂向加速度的2個敏感軸相互平行（由于本MIMU在垂向測量了2次，因此在數(shù)據(jù)采集階段垂向加速度取兩者的均值）。

　　1.2 數(shù)據(jù)采集卡

　　FPGA（Field-Programmable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。

　　數(shù)據(jù)采集卡是基于FPGA控制和USB2.0接口的采集卡，它可實時對6路模擬信號進行不間斷的采集，輸入信號幅度范圍是0~5 V,AD轉(zhuǎn)換位數(shù)為16位，單通道采樣率為250 kS/s,所使用的USB傳輸方式為高速塊傳輸，應(yīng)用FPGA作為采集的控制單元，并采用USB總線供電，移動性好，內(nèi)置信號連接，可以滿足車載測量實時性和精準性的需求[2].圖2為該數(shù)據(jù)采集卡的組成框圖。

　　2 系統(tǒng)軟件

　　系統(tǒng)軟件分為數(shù)據(jù)采集軟件和數(shù)據(jù)處理軟件兩部分，其流程如圖3所示。本系統(tǒng)采用Visual Basic 2005語言編程實現(xiàn)，依次實現(xiàn)信號采集、初始信號濾波、姿態(tài)角解算、Kalman濾波融合、結(jié)果的顯示和存儲等功能。

　　3 實車試驗

　　為了檢驗該汽車運動姿態(tài)測量系統(tǒng)的效果，進行了實車試驗。試驗時將MIMU固定于汽車質(zhì)心位置處，并且保證傳感器所組成的測量坐標系平行于車體坐標系，加速度計正向指向相應(yīng)的坐標軸的正向，陀螺儀的分布和坐標軸一致，測量給定軸的旋轉(zhuǎn)角速度，旋轉(zhuǎn)的正方向由右手定則確定[3].在完成MIMU的安裝、系統(tǒng)接線、傳感器的標定和軟件的初始化設(shè)置等工作后即可開展實車道路試驗。圖4是試驗采集得到并經(jīng)初始濾波后的汽車6自由度運動信號。圖5是試驗得到的汽車姿態(tài)角變化曲線。圖6為進一步試驗得到的汽車姿態(tài)角估計誤差曲線，從圖中可以看出，由于引入Kalman濾波融合算法[4],使得姿態(tài)角估計誤差小于0.5°，滿足了汽車運動姿態(tài)測量的要求，說明本測量系統(tǒng)的可行性。

　　本文研究了捷聯(lián)式車載姿態(tài)測量系統(tǒng)。自主設(shè)計了微慣性測量單元（MIMU）和基于USB2.0接口的數(shù)據(jù)采集卡，并應(yīng)用Visual Basic 2005開發(fā)了數(shù)據(jù)采集軟件和數(shù)據(jù)處理軟件，通過實車道路試驗驗證了本實時測量系統(tǒng)的可行性。另外，此系統(tǒng)具有體積小、使用方便、成本低廉等優(yōu)點。如果通過選取更高的MEMS傳感器和采用更為高效的實時預(yù)測方法，可以進一步地提高系統(tǒng)的預(yù)測。