摘要開發一種生物運動微慣性測量裝置，以基于ARM7的LPC2129為核心處理單元，采用MEMS陀螺和MEMS加速度計為測量傳感器。該裝置實現了對SPC-III機器魚尾鰭拍動參數的精確測量，為活體魚尾鰭拍動參數測量實驗打下了基礎。
關鍵詞微慣性測量 LPC2129 MEMS器件 尾鰭拍動
在仿生推進機理的研究中，精確測量魚類尾鰭拍動參數對于魚類仿生推進機理研究及工程應用具有重要的意義；然而，目前研究者大多采用分析高速攝像機拍攝的圖像獲得參數的觀測方法。這種方法受到環境與設備的限制，結果精確度較差。本設計是一種基于MEMS器件的生物運動微慣性測量裝置。利用該裝置實現了對SPC-III機器魚尾鰭拍動參數的精確測量，為國內首次利用MEMS器件進行的活體魚尾鰭拍動參數測量實驗打下了基礎，為機器魚仿生推進設計理論提供支撐。
1 設計要求和系統結構
根據活體魚類的生物特征和實驗本身的特點，微慣性測量裝置應該滿足下列設計要求：體積小，質量輕，功耗低，采集頻率和采集精度高，防水密封性能良好。為了實現這些需求，微慣性測量裝置的硬件由兩部分組成：①微處理器單元；②微慣性傳感器單元。微處理器單元主要包括微處理器、A／D轉換芯片和Flash。微處理器作為核心單元，通過SPIl口連接A／D轉換芯片完成數據采集，通過SPIO口連接Flash完成數據存儲，通過串口與上位機通信。微慣性傳感器單元是由MEMS加速度計和MEMS陀螺所組成的，完成加速度與角速度的原始信息采集任務。采集的原始信息經過A／D轉換處理后，寫入Flash芯片中保存，或通過串口直接發送至上位機進行處理。系統原理簡圖如圖l所示。
2 微處理器單元
2．1 LPC2129處理器
本裝置既要求微處理器具有一定的處理能力又要求功耗低、體積小，所以選用Philips公司的LPC2129。LPC2129基于一個支持實時仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-SCPU，并帶有16 KB片內SRAM和256KB嵌入的高速片內Flash存儲器。LPC2129具有LQFP64的較小封裝、極低的功耗、多個32位定時器、4路10位ADC、9個外部中斷、最多可達46個GPIO等。
在LPC2129的軟件設計上，未采用ARM上常用的uC／OS-II或uClinux操作系統，而是使用前后臺式的定時中斷結構。這種前后臺式的定時中斷結構更適于實時性要求很高的控制系統，可以保證控制回路延遲均在一個設計確定的范圍內，并且各個模塊問優先級關系十分明確，使用起來較為方便。
2．2 A／D轉換采集芯片ADSl256
A／D轉換芯片采用美國TI公司的24位串行模／數轉換器ADSl256。其可提供高達23位的無噪聲精度，數據速率最高可達30 ksps。ADSl256采用四線制SPI通信方式，與LPC2129的SPIl接口相連，可以靈活方便地進行通信。
ADS1256采用多通道循環采集的工作方式。在數據準備信號DRDY提示可以提取數據后，首先將當前的采集通道變為下一個采集通道，開始新的采集轉換，然后再馬上提取A／D轉換寄存器中的數據(這時的數據其實是上一輪轉換好的數據)。這種方式在實現提取數據的同時進行新數據的采集轉換，是一種高效率的工作方式。
2．3 Flash芯片AT45DB041B
Flashl選用Atmel公司的可編程串行存取芯片AT45DB041B。主存儲單元分為2048頁，每頁264字節；具有2個264字節靜態隨機存儲器作為數據緩沖器。
AT45DB04lB與LPC2129的SPI0接口相連，采集的數據首先寫入Flash的緩沖區2中，再將緩沖區里的數據寫入Flash的主存頁面進行保存，待離線的數據分析處理。
3 微慣性傳感器單元
微慣性測量裝置的MEMS傳感器單元由微機械陀螺和微加速度計組成，可精確測量載體的一個軸向角速度信息和一個軸向加速度信息。
3.1 ADXRS300單角速度陀螺儀
ADXRS300是美國模擬器件公司生產的基于MEMS技術的角速度傳感器。ADXRS300采用+5V電源供電，測量偏航角速度的范圍是±300rad／s，靈敏度為5mV／(rad·s-1)，零位輸出電壓為2．5V。通過外部電阻和電容可分別設定測量角速度的范圍、帶寬及零位輸出電壓。采用BGA-32封裝技術，外圍尺寸僅為7mm×7mm×3mm，重量僅0．5g。
設被測量的角速度為αv，單位為(°)／s；輸出電壓為Uo，單位為mV；靈敏度K為5mV/(°)·s-1，零位輸出電壓為2．5V，則有關系式：
3.2 ADXLl50單軸加速度計
ADXL150是美國模擬器件公司生產的基于MEMS技術的單軸微加速度傳感器。ADXL150的主要性能特點：零位輸出偏置電壓為Us／2，測量范圍為±50g，靈敏度系數為38mV/g，非線性度0．2％，零加速度漂移為O．2g；4～6V供電均可工作；功耗很低，靜態電流只有1．8～3．5mA。
設被測量的加速度為av，單位為g；輸出電壓為Uo，單位為mV；靈敏度為K，單位為mV／g；電源電壓為Vs，單位為mV，則有關系式：
4 速度、角度、位移的測量原理
角速度與加速度信息經過積分計算處理后，可以得到角度、速度、位移等信息，故該裝置在可測量載體角速度與加速度信息的基礎上，能夠實現載體的多種運動狀態信息的測量。
設采樣周期為T，v(k)為kT時刻的速度，x(k)為kT時刻的位移，a(k)為kT時刻的加速度，a(k)為加速度的連續真值，則有下列求解速度的積分公式：
區間[kT，(k+1)T]內所包的面積。己知加速度在kT、(k+1)T時刻的采樣值為a(k)和a(k+1)可以把加速度a(t)在時間區間[kT，(k+1)T]內所包圍的形狀近似為一矩形或梯形，采用梯形更精確一點，如圖2所示。
因而上式可以近似為：
已知A／D采樣周期為t，在某時刻T1時載體的角速度為w1，線加速度為a1，線速度為v1。經過一個采樣周期t后，在T1+t時刻載體的角速度為w2，線加速度為a2，線速度為v2，在該采樣周期t中載體轉過的角度為α，載體的位移為s，則有：
通過積分計算即可得到載體的角度、速度、位移等信息。
5 應用
5.1 系統集成
微慣性測量裝置由處理器單元模塊和傳感器單元模塊組成。兩模塊通過板問總線連接，相錯放置，以最大限度地利用空間，達到微小化的尺寸要求。裝置采用7．2V鋰電池供電。最終封裝后的裝置重量僅為25g。
采用NI公司的LabWindows／CVI軟件開發了上位機數據處理軟件。數據處理軟件讀取微慣性測量裝置采集的速度信息，生成速度／角度，位移曲線，得到載體的擺角、振幅值。
5．2 SPC-III機器魚尾鰭拍動參數測量實驗
利用該微慣性測量裝置對北京航空航天大學機器人研究所ITM實驗室開發的SPC-III機器魚進行了機器魚尾鰭拍動參數的測量實驗。微慣性測量裝置安裝于機器魚尾鰭尾柄處，測量裝置的采集頻率設定為1kHz。SPC-III機器魚以1Hz頻率穩定拍動情況下，采集的數據經上位機數據處理軟件處理，可得到SPC-III機器魚的尾鰭拍動參數：拍動頻率1Hz，擺角幅度41.70°，振幅97．368mm，最大角速度124．264(°)／s。角速度曲線如圖3、圖4所示。
由表1可知，測量數據與理論設計數值相差不大。造成誤差的可能原因：陀螺與加速度計本身存在誤差偏值，其中包括零位誤差和動態誤差等；機器魚尾鰭拍動機構不是非常精密，存在偏差。
根據魚類尾鰭推力的估算方法，估算得到SPC-III機器魚以1 Hz頻率拍動時尾鰭產生的平均推力為10 N，如表2所列。
SPC-III機器魚采用的兩關節并聯機構尾鰭推進器可以產生幾十牛的推力，實際推力與估算推力基本符合，初步驗證了基于理想推進器理論和動量定理的尾鰭推力估算方法。在不具備水洞模型試驗、CFD水動力計算仿真的條件下，利用該方法能夠快速、簡便地得到尾鰭推力的估計值，或反解尾鰭的運動參數。這種推力估算方法已經成功地運用于北京航空航天大學ITM實驗室SPC系列機器魚的設計和實驗工作中。
結語
利用一種基于MEMS器件的微慣性測量裝置，可進行SPC-III機器魚尾鰭拍動參數的精確測量。微慣性測量裝置體積小，質量輕，功耗低，可得到載體的加速度、角速度、速度、位移、角度等運動信息，可應用于生物運動測量、體育運動測量、人體健康監測等多種領域。