ADIS16355的汽車二自由度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了得到汽車在行駛過(guò)程中的橫擺角速度與側(cè)向加速度，設(shè)計(jì)了基于ARM微控制器和ADIS16355傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。介紹了該采集系統(tǒng)的工作原理和ADIS16355的SPI通信協(xié)議。采用實(shí)車實(shí)驗(yàn)的方法得到了汽車的橫擺角速度與側(cè)向加速度，并且通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。選用卡爾曼濾波方法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波，成功地濾除了白噪聲，實(shí)驗(yàn)證明得到的數(shù)據(jù)是可靠的。
關(guān)鍵詞：ADIS16355；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；SPI；卡爾曼濾波

引言
汽車的二自由度橫擺角速度與側(cè)向加速度這兩個(gè)參數(shù)對(duì)汽車的穩(wěn)定性分析具有重要作用，是汽車主動(dòng)安全的重要組成部分，可以通過(guò)預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)兩種方式獲得。為了得到更真實(shí)的數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)了基于ARM微控制器和ADIS16355傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)車測(cè)試得到了汽車的橫擺角速度與側(cè)向加速度的數(shù)據(jù)，分析了干擾源，并且對(duì)數(shù)據(jù)采用卡爾曼濾波方法進(jìn)行處理。

1 系統(tǒng)工作原理
ADIS16355傳感器裝在接近汽車的中心位置上(接近汽車的質(zhì)心位置)，建立汽車的三維坐標(biāo)系如圖1所示。

即相當(dāng)于從控制器的從機(jī)選擇端，在通信過(guò)程中要使它一直保持低電平，處于有效狀態(tài)；然后，通過(guò)主控制器把需要采集信號(hào)的地址發(fā)送到從控制器中。SPI時(shí)序圖如圖4所示。

然而汽車運(yùn)行中不可避免會(huì)受到其他因素的干擾，采集到的數(shù)據(jù)可能存在一定程度上的失真性，因此需要找出干擾源的類型，從而選擇適當(dāng)?shù)姆椒ò央s波濾掉，得到相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。為此設(shè)計(jì)汽車怠速與正常運(yùn)行兩種模式。汽車在怠速狀態(tài)下，由于汽車是相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，理論上測(cè)到的汽車橫擺角速度與側(cè)向加速度為0，然而由于存在其他的干擾因素，因而實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)并不為0。通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析可以得到干擾源的類型，從而根據(jù)干擾類型而設(shè)計(jì)出相應(yīng)的濾波方式。下面分別就汽車的怠速模式與正常運(yùn)行模式兩種運(yùn)動(dòng)方式具體分析。
3．1 汽車怠速模式
汽車怠速模式是指發(fā)動(dòng)機(jī)處于啟動(dòng)狀態(tài)，但是汽車處于停止不前的狀態(tài)，可以測(cè)得相應(yīng)的數(shù)據(jù)。這里以汽車的橫擺角速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，取了2500個(gè)采樣點(diǎn)，利用數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性對(duì)數(shù)據(jù)分別求均值、協(xié)方差與功率譜密度，求得的均值為-7．7682e-005，近似為0。為了直觀，把采集到的源數(shù)據(jù)、協(xié)方差與功率譜密度通過(guò)MATLAB作圖的方式顯示出來(lái)，如圖6所示。

由圖可知，自相關(guān)函數(shù)只有在橫坐標(biāo)為0時(shí)候才有取值，功率譜密度分布比較均勻，而且采集到的數(shù)據(jù)均值近似為0，這與高斯白噪聲的統(tǒng)汁特性相似，因而斷定干擾源類型為高斯白噪聲。
3．2 汽車正常運(yùn)行模式
汽車正常運(yùn)行模式是汽車勻速行駛在水平、下燥、水泥路面上，測(cè)得此時(shí)的汽車橫擺角速度與側(cè)向加速度。從傳感器采集到的數(shù)據(jù)不可避免地受到干擾源的影響，由上面給出的結(jié)論可知干擾源類型為白噪聲。卡爾曼濾波前的數(shù)據(jù)與濾波后的數(shù)據(jù)如圖7所示。卡爾曼濾波對(duì)白噪聲具有很好的濾波能力，它的濾波原理是最小均差原理，并且當(dāng)前的數(shù)據(jù)只與前一個(gè)數(shù)據(jù)有關(guān)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量小，有利于計(jì)算機(jī)求解，所以選用卡爾曼濾波方式對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，從而得到相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。這里采集了10 000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

由圖7可以看到，通過(guò)卡爾曼濾波后，曲線更加平滑，有效地剔除了雜波，從而為控制系統(tǒng)提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

結(jié)語(yǔ)
本文采用ARM微控制器和ADIS16355傳感器設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不但能夠采集汽車的橫擺角速度與側(cè)向加速度兩個(gè)參數(shù)，而且用卡爾曼濾波方式對(duì)采集到的數(shù)據(jù)濾掉了雜波，使得到的數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確。經(jīng)分析表明，該設(shè)計(jì)方案是可行的。這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在汽車主動(dòng)安全方面有很好的應(yīng)用價(jià)值，能為汽車穩(wěn)定性分析供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。