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        利用加速度計和陀螺儀測量車輛運動

           日期:2013-01-31    
        核心提示:您可以使用陀螺儀來跟蹤車輛沿著X和Y軸的旋轉,然后對傳感器信號積分,計算出車輛俯仰角和翻滾角。這是一個關于時間的函數。根據這個計算得到的俯仰角和翻滾角,從加速度傳感器信號中減去由于傾斜帶來的重力分量,最終得到運動加速度。

        大多數傾斜傳感器把重力方向當作參考方向。重力是一種加速度,并且不斷變化(應該是隨高度變化吧)。制動、加速和轉彎時,車輛會產生加速度。然而當進行傾斜測量時,我們只需要得到重力加速度;當進行車輛動力測量時,卻又只想得到運動加速度。

        當測試車輛時,人們常常需要測量車輛的動態運動以及車輛相對于道路的傾角。我們可以通過加速度計來獲得車輛轉彎、加速或者制動時產生的沖擊力,但是,除非車輛在進行上述運動時保持水平,否側測試結果是不準確的。比如,你想用加速度計測量車輛的制動力,但車輛是向前傾斜的,測量結果中就會有重力分量。

        有運動加速度時,傾斜傳感器將得到一個不準確的傾角。也就是說,在車輛傾斜時只通過加速度計將無法得到準確的傾角。

        通過測量繞車輛重心的旋轉,陀螺儀有助于糾正車倆向前傾斜帶來的不利影響。不幸的是,陀螺儀有其自身的缺陷。它測量旋轉速度,不是旋轉角度,通過不斷積分得到角度。當旋轉速度的測量出現偏差,積分后所得的角度將會有很大的偏差。但是,你可以結合角速度值和加速度值,計算出車輛動態運動時的精確數據。角速度和加速度的缺點可以相互彌補。當擁有足夠強的計算能力,我們就可以得到實時的加速度和角度的精確值。

        要實現這一點,你需要測量沿三個軸的加速度和角速度。于是我們沿著車身安裝了三軸加速度計,和與值對應的三軸陀螺儀。見圖1。如果可能,傳感器最好安裝在車輛重心,盡量減少旋轉加速度對測量帶來的不利影響。

         

        圖1 車輛各軸上的傳感器

        我們可以用陀螺儀測量車輛繞給定軸的旋轉。如果一直對角速度積分,將會得到角度關于時間的函數。例如,您可以使用陀螺儀來跟蹤車輛沿著X和Y軸的旋轉,然后對傳感器信號積分,計算出車輛俯仰角和翻滾角。這是一個關于時間的函數。根據這個計算得到的俯仰角和翻滾角,從加速度傳感器信號中減去由于傾斜帶來的重力分量,最終得到運動加速度。

        要得到可靠的俯仰角和翻滾角,你必須對角速度信號積分。結果是,角速度信號的偏差,會造成角度的偏差,并且隨時間線性增加。此外,陀螺儀的隨機噪聲會導致計算角度的隨機波動,這種波動使得角度以與時間的平方根成正比的速度漂移。這些影響將限制昂貴的陀螺儀在超過幾分鐘測量時的應用。

        幸運的是,我們可以利用陀螺儀短時測量準確的優勢和加速度計長時穩定的特點,兩者結合,得到即能短時穩定又能長時穩定的傾角。用陀螺儀測量短時內角度變化,把加速度傳感器當做傾角傳感器測量傾角,并在一個長時間范圍內,迫使陀螺儀得到的傾角慢慢匹配加速度傳感器得到的傾角。

        要執行這些操作,需要有傳感器,以及數據采集和處理設備。我們使用一個三軸加速度計和(三個)3軸陀螺儀。不管沿哪個方向,你都需要以能測量車輛完整運動的目的來安裝這些傳感器。還可以添加一個溫度傳感器,用其采集的數據補償溫度對加速度計和陀螺儀輸出的影響。然后將傳感器信號數字化,并輸入計算機或存儲器。

        可以使用電腦對得到的數據進行計算。但是,如果想看到實時的計算結果,那得需要一臺數字信號處理器(DSP),作為信號采集設備之一。然后,將計算得到的角度數據、已修正的加速度和角速度信息用數據線傳送到電腦。如果發送的是二進制數據包,工作在38.4K波特率的串行RS-232數據線應該滿足超過 200Hz的傳輸速率。這大大快于陀螺儀的帶寬。

        盡量把傳感器安裝在靠近車輛運動中心的地方。否側旋轉產生的離心力將會被加速度計測量。請注意,我們使用加速度計只是測量車輛重心的線性加速度,所以要盡量減少旋轉運動對加速度測量的耦合。

         

        圖2 測量車輛運動的硬件配置

        圖3顯示了一個軸的算法。實時對陀螺儀輸出積分得到原始角度。利用加速度計測量重力方向并推斷出傾斜角度。例如,如果在x軸上得到0.1G的加速度,這意味著傾斜角為arcsin(0.1)=5.7°。為了避免震動和沖擊造成傾斜角計算錯誤,使用截止頻率為100Hz或更底的低通濾波器。簡單的單極RC濾波器即可。

         

        圖3 穩定的角度計算

        計算兩角度之差,為誤差信號。它可以用來更正角度計算。這里定義了一個增益參數,k,決定著有多少誤差信號用于更正角速度積分。最后將角速度原始積分與誤差信號(已乘增益)相加。該過程的輸出是一個角度值,短時間看角速度值起主導作用,但長時間看是由加速度值來修正的。時間尺度由k值決定。

        計算增益參數k值:在設定的時間內角速度傳感器計算得到的角度被重力計算的角度穩定修正。您應該選擇一個比預期測試更長的時間常數。然后將它除于測量速率,就是k值了。例如,如果你選了一個5s的時間常數,而且角速度和加速度計的工作速率是200Hz。那么,k=5/200=0.025。

        一旦得到穩定的傾角,就可以用它修正原始的加速度數據。這樣能得到沿任一軸的真實(運動)加速度。請注意, 一旦傾斜,重力分量就會被x和y軸的加速度計測量。解決這一問題的辦法之一是建立一個旋轉矩陣,根據已求取的傾斜角,將加速度矢量(x,y和z軸與車輛一致)旋轉到地面坐標系(對車輛坐標系進行坐標變換)。在水平系統中,重力是完全豎直的,所以水平方向上x,y軸得到的將是純運動加速度,沒有重力分量。

        最終結果是得到車輛運動的完整描述,包括角速度,穩定的傾斜角度和糾正了的線性加速度。以上描述的實時系統可以使用固態傳感器實現。這構成了一個可靠,廉價的車輛運動檢測系統。

         
          
          
          
          
         
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