基于MEMS组合模块的姿态检测系统设计
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发表于 7/22/2011 3:42:32 PM
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在两轮自平衡电动车的平衡控制中，对车体的俯仰角进行实时准确的测量是整个平衡控制的前提。传统的机械式姿态测量仪体积大、响应速度慢、测量精度低，远远不能满足双轮自平衡电动车平衡控制的实时性和精确性要求。基于光学原理和图像处理技术的姿态测量仪精度较高，但是价格昂贵，且需要进行大量的复杂运算，一般需要计算机辅助完成，不符合两轮自平衡电动车的成本和车载性要求。本文采用ME-MS组合模块的设计方案实现了对车体俯仰角的测量。本测量系统不但具有体积小、响应快、成本低的特点外，而且经过数据融合处理后，有效地减小了环境中震动干扰的影响，能够在具有强烈震动的车体环境中达到系统的精度要求。
1 系统构成及工作原理
1．1 系统构成
本姿态测量系统主要由单片机PIC16F877、加速度计MMA7260和陀螺仪ADXRS610构成。系统结构框图如图1所示。Microchip公司提供的PIC16F877芯片作为控制芯片，负责对加速度计与陀螺仪进行A／D采样及后续的数据处理。
ADXRS610是ADI公司推出的一款高性价比的单轴陀螺仪。ADXRS610是一款模拟量输出器件，其输出量与绕旋转轴的旋转角速度成线性正比，对角速度量进行积分运算即可得到旋转的角度值。ADXRS610角速度的测量范围是±300 rad／s，灵敏度为6 mV／(rad·s-1)，零位输出电压为2．50 V，非线性误差为±0．1％F．S．，-3 dB带宽为40 Hz，固有频率为14 kHz。
1．2 加速度计的数学应用原理
MMA7260是一款性价比较高的三轴模拟量输出加速度计，模拟输出量与其敏感轴方向上所受加速度大小成线性关系。文中利用MMA7260测得静态加速度值，进而计算出被测平台与水平面的夹角值。所谓测量静态加速度，是指在平台静止时，测量重力加速度在某一敏感轴上的分量的大小。由于重力加速度的方向总是垂直向下的，这正好为测量系统提供了一个天然的参考坐标系。通过加速度计间接测量角度的数学原理有两种方式。
方式一如图2所示。利用单一敏感轴测得重力加速度分量，其中角度θ、重力加速度g与敏感轴分量gx三者构成反余弦关系：
方式二如图3所示。http://www.smt139.com
利用双敏感轴测得重力加速度分量，其中角度θ、Y敏感轴分量gy与X敏感轴分量gx三者构成反正切关系：
方式一只需要单轴加速度计就能实现角度测量，在数据采集时也只需要单通道的ADC模块进行处理，在硬件成本和软件编程的难易度方面都有优势。方式二采用两敏感轴同时采集两个方向的重力加速度分量，通过两个轴的分量比来获取角度值。由于两敏感轴所处的环境因素一样，因此对于震动、温度变化等因素的干扰有一定的抑制效果。另外，对于不同地理位置的重力加速度常量值的变化，方式一会产生相应的误差，而方式二可以从原理上消除此类误差。经比较，选用第二种方式。
1．3 数据融合模型
互补滤波的基本原理如图4所示。互补滤波的思想即针对不同输出特性的传感器，采用不同的滤波方法将所得的信号结合起来，从而克服单一传感器失真严重的缺点，获取到更为准确的信息。使含有高频噪声分量的加速度计信号通过低通滤波器滤波，使具有积分漂移效应的陀螺仪信号通过高通滤波器滤波。
由于本系统的高、低通滤波过程均是通过PIC16F877进行软件方式处理来模拟实现电子电路的功能，因此需要将连续滤波模型公式离散化处理。连续型低通滤波器的模型公式如下：
其中，uin(t)和uout(t)分别为输入和输出电压，RC为时间常数。离散化后的数字低通滤波器模型如下：
其中，，yi表示i时刻的输出；xi表示i时刻的输入；yi-1表示(i-1)时刻的输出；△T为采样周期。基于互补滤波的思想并结合离散化数字低通滤波器模型，构造出如下模型：
其中，angle为系统最终的输出角度值；gyr为由陀螺仪数据计算得出的角速度值，gyrdt则为一个采样周期内的角度增量；acc为由加速度计数据计算得出的角度值。当选择合适的时间常数RC和采样周期△T时，此模型能模拟实现对陀螺仪的高通滤波和对加速度计的低通滤波
