利用加速度計(jì)和陀螺儀測量車輛運(yùn)動
當(dāng)測試車輛時,人們常常需要測量車輛的動態(tài)運(yùn)動以及車輛相對于道路的傾角。我們可以通過加速度計(jì)來獲得車輛轉(zhuǎn)彎、加速或者制動時產(chǎn)生的沖擊力,但是,除非車輛在進(jìn)行上述運(yùn)動時保持水平,否側(cè)測試結(jié)果是不準(zhǔn)確的。比如,你想用加速度計(jì)測量車輛的制動力,但車輛是向前傾斜的,測量結(jié)果中就會有重力分量。
大多數(shù)傾斜傳感器把重力方向當(dāng)作參考方向。重力是一種加速度,并且不斷變化(應(yīng)該是隨高度變化吧)。制動、加速和轉(zhuǎn)彎時,車輛會產(chǎn)生加速度。然而當(dāng)進(jìn)行傾斜測量時,我們只需要得到重力加速度;當(dāng)進(jìn)行車輛動力測量時,卻又只想得到運(yùn)動加速度。
有運(yùn)動加速度時,傾斜傳感器將得到一個不準(zhǔn)確的傾角。也就是說,在車輛傾斜時只通過加速度計(jì)將無法得到準(zhǔn)確的傾角。
通過測量繞車輛重心的旋轉(zhuǎn),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(zhuǎn)速度,不是旋轉(zhuǎn)角度,通過不斷積分得到角度。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度的測量出現(xiàn)偏差,積分后所得的角度將會有很大的偏差。但是,你可以結(jié)合角速度值和加速度值,計(jì)算出車輛動態(tài)運(yùn)動時的精確數(shù)據(jù)。角速度和加速度的缺點(diǎn)可以相互彌補(bǔ)。當(dāng)擁有足夠強(qiáng)的計(jì)算能力,我們就可以得到實(shí)時的加速度和角度的精確值。
要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),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(jì),和與值對應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)。如果一直對角速度積分,將會得到角度關(guān)于時間的函數(shù)。例如,您可以使用陀螺儀來跟蹤車輛沿著X和Y軸的旋轉(zhuǎn),然后對傳感器信號積分,計(jì)算出車輛俯仰角和翻滾角。這是一個關(guān)于時間的函數(shù)。根據(jù)這個計(jì)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(yùn)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(jié)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(jī)噪聲會導(dǎo)致計(jì)算角度的隨機(jī)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(yīng)用。
幸運(yùn)的是,我們可以利用陀螺儀短時測量準(zhǔn)確的優(yōu)勢和加速度計(jì)長時穩(wěn)定的特點(diǎn),兩者結(jié)合,得到即能短時穩(wěn)定又能長時穩(wěn)定的傾角。用陀螺儀測量短時內(nèi)角度變化,把加速度傳感器當(dāng)做傾角傳感器測量傾角,并在一個長時間范圍內(nèi),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(zhí)行這些操作,需要有傳感器,以及數(shù)據(jù)采集和處理設(shè)備。我們使用一個三軸加速度計(jì)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(yùn)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(shù)據(jù)補(bǔ)償溫度對加速度計(jì)和陀螺儀輸出的影響。然后將傳感器信號數(shù)字化,并輸入計(jì)算機(jī)或存儲器。
可以使用電腦對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。但是,如果想看到實(shí)時的計(jì)算結(jié)果,那得需要一臺數(shù)字信號處理器(DSP),作為信號采集設(shè)備之一。然后,將計(jì)算得到的角度數(shù)據(jù)、已修正的加速度和角速度信息用數(shù)據(jù)線傳送到電腦。如果發(fā)送的是二進(jìn)制數(shù)據(jù)包,工作在38.4K波特率的串行RS-232數(shù)據(jù)線應(yīng)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(yùn)動中心的地方。否側(cè)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將會被加速度計(jì)測量。請注意,我們使用加速度計(jì)只是測量車輛重心的線性加速度,所以要盡量減少旋轉(zhuǎn)運(yùn)動對加速度測量的耦合。
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