結合角速度傳感器與加速度計 測量車(chē)輛運動(dòng)
當測試車(chē)輛時(shí)，人們常常需要測量車(chē)輛的動(dòng)態(tài)運動(dòng)以及車(chē)輛相對于道路的傾角。我們可以通過(guò)加速度計來(lái)獲得車(chē)輛轉彎、加速或者制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊力，但是，除非車(chē)輛在進(jìn)行上述運動(dòng)時(shí)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(chē)輛的制動(dòng)力，但車(chē)輛是向前傾斜的，測量結果中就會(huì )有重力分量。
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(dòng)、加速和轉彎時(shí)，車(chē)輛會(huì )產(chǎn)生加速度。然而當進(jìn)行傾斜測量時(shí)，我們只需要得到重力加速度；當進(jìn)行車(chē)輛動(dòng)力測量時(shí)，卻又只想得到運動(dòng)加速度。
有運動(dòng)加速度時(shí)，傾斜傳感器將得到一個(gè)不準確的傾角。也就是說(shuō)，在車(chē)輛傾斜時(shí)只通過(guò)加速度計將無(wú)法得到準確的傾角。
通過(guò)測量繞車(chē)輛重心的旋轉，角速度傳感器有助于糾正車(chē)倆向前傾斜帶來(lái)的不利影響。不幸的是，角速度傳感器有其自身的缺陷。它測量旋轉速度，不是旋轉角度，通過(guò)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(huì )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(chē)輛動(dòng)態(tài)運動(dòng)時(shí)的精確數據。角速度和加速度的缺點(diǎn)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(shí)時(shí)的加速度和角度的精確值。
要實(shí)現這一點(diǎn)，你需要測量沿三個(gè)軸的加速度和角速度。于是我們沿著(zhù)車(chē)身安裝了三軸加速度計，和與值對應的三軸角速度計。見(jiàn)圖1。如果可能，傳感器最好安裝在車(chē)輛重心，盡量減少旋轉加速度對測量帶來(lái)的不利影響。
(原文件名:page 1.jpg) 引用圖片 圖1。 車(chē)輛各軸上的傳感器
我們可以用角速度傳感器測量車(chē)輛繞給定軸的旋轉。如果一直對角速度積分，將會(huì )得到角度關(guān)于時(shí)間的函數。例如，您可以使用角速度傳感器來(lái)跟蹤車(chē)輛沿著(zhù)X和Y軸的旋轉，然后對傳感器信號積分，計算出車(chē)輛俯仰角和翻滾角。這是一個(gè)關(guān)于時(shí)間的函數。根據這個(gè)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(lái)的重力分量，最終得到運動(dòng)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(huì )造成角度的偏差，并且隨時(shí)間線(xiàn)性增加。此外，角速度傳感器的隨機噪聲會(huì )導致計算角度的隨機波動(dòng)，這種波動(dòng)使得角度以與時(shí)間的平方根成正比的速度漂移，even in the absence of rate bias error.這些影響將限制昂貴的角速度傳感器在超過(guò)幾分鐘測量時(shí)的應用。
幸運的是，我們可以利用角速度傳感器短時(shí)測量準確的優(yōu)勢和加速度計長(cháng)時(shí)穩定的特點(diǎn)，兩者結合，得到即能短時(shí)穩定又能長(cháng)時(shí)穩定的傾角。用角速度傳感器測量短時(shí)內角度變化，把加速度傳感器當做傾角傳感器測量?jì)A角，并在一個(gè)長(cháng)時(shí)間范圍內，迫使角速度傳感器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(gè)三軸加速度計和（三個(gè)）3軸角速度計。不管沿哪個(gè)方向，你都需要以能測量車(chē)輛完整運動(dòng)的目的來(lái)安裝這些傳感器。還可以添加一個(gè)溫度傳感器，用其采集的數據補償溫度對加速度計和角速度計輸出的影響。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(jìn)行計算。但是，如果想看到實(shí)時(shí)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(xiàn)傳送到電腦。如果發(fā)送的是二進(jìn)制數據包，工作在38.4K波特率的串行RS-232數據線(xiàn)應該滿(mǎn)足超過(guò)200Hz的傳輸速率。這大大快于角速度傳感器的帶寬。
盡量把傳感器安裝在靠近車(chē)輛運動(dòng)中心的地方。否側旋轉產(chǎn)生的離心力將會(huì )被加速度計測量。請注意，我們使用加速度計只是測量車(chē)輛重心的線(xiàn)性加速度，所以要盡量減少旋轉運動(dòng)對加速度測量的耦合。
(原文件名:page 2.jpg) 引用圖片 圖2。 硬件配置
圖3顯示了一個(gè)軸的算法。實(shí)時(shí)對角速度傳感器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(zhù)傾斜角為arcsin(0.1)=5.7°。為了避免震動(dòng)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(jiǎn)單的單極RC濾波器即可。
(原文件名:page 3.jpg) 引用圖片 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(lái)更正角度計算。這里定義了一個(gè)增益參數，k，決定著(zhù)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(guò)程的輸出是一個(gè)角度值，短時(shí)間看角速度值起主導作用，但長(cháng)時(shí)間看是由加速度值來(lái)修正的。時(shí)間尺度由k值決定。
增益參數k is similar to the erection rate in an analog vertical gyro. k值設置時(shí)間常數，在這段時(shí)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(gè)比預期測試更長(cháng)的時(shí)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(gè)5s的時(shí)間常數，而且角速度和加速度傳感器的工作速率是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(shí)(運動(dòng))加速度。請注意， 一旦傾斜，重力分量就會(huì )被x和y軸的加速度計測量。解決這一問(wèn)題的辦法之一是建立一個(gè)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(chē)輛一致）旋轉到地面坐標系(對車(chē)輛坐標系進(jìn)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(chóng)，y軸得到的將是純運動(dòng)加速度，沒(méi)有重力分量。
最終結果是得到車(chē)輛運動(dòng)的完整描述，包括角速度，穩定的傾斜角度和糾正了的線(xiàn)性加速度。以上描述的實(shí)時(shí)系統可以使用固態(tài)傳感器實(shí)現。這構成了一個(gè)可靠，廉價(jià)的車(chē)輛運動(dòng)檢測系統。
