基于三軸加速度計(jì)SCA3000和LPC2210的傾斜角傳感器設(shè)計(jì)

4 數(shù)據(jù)處理與校驗(yàn)

由于測(cè)量精度、外力影響，三軸加速度計(jì)的橫軸傳感，零刻度度偏移，溫度飄移等影響導(dǎo)致三軸加速度計(jì)在測(cè)量上出現(xiàn)誤差，或者測(cè)量數(shù)據(jù)受到不同程度的污染，這對(duì)求傾斜角產(chǎn)生很大的阻礙。由于上述原因的影響，現(xiàn)實(shí)中測(cè)量得到的三軸加速度計(jì)的三個(gè)數(shù)據(jù)的矢量和往往不會(huì)等于重力加速度。有外力時(shí)加速度傳感器測(cè)得的是重力與外力和的加速度，肯定不等于重力加速度，有恒外力作用時(shí)難以直接測(cè)量?jī)A斜角的準(zhǔn)確值(運(yùn)用適當(dāng)方法進(jìn)行補(bǔ)償或抵消除外)，SCA3000對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行低通濾波可以去除掉高頻振動(dòng);對(duì)三軸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行權(quán)限設(shè)置，對(duì)于三軸數(shù)據(jù)矢量和與重力加速度的偏差大于0.05g時(shí)拋棄此次測(cè)量數(shù)據(jù)，保證測(cè)量精度。

4.1 零點(diǎn)偏移

零刻度偏移的解決方案，當(dāng)傾斜角較小時(shí)，z軸數(shù)據(jù)的分辨率極低，影響測(cè)量精度，所以此時(shí)運(yùn)用其中兩軸進(jìn)行傾斜角測(cè)量將更精確。為提高精度，需要對(duì)傾斜角傳感器進(jìn)行調(diào)零校正，校正后的結(jié)果將是測(cè)量值減去偏移值后的數(shù)據(jù)。偏移值的測(cè)量方法有兩種：

(1)將傳感器放置在一個(gè)校準(zhǔn)水平面上，此時(shí)的輸出即為偏移值。

(2)如圖7所示，測(cè)量出圖7(a).(b)姿勢(shì)的輸出VA，VB偏移值為(VA+VB)/2。

4.2 橫軸傳感

橫軸傳感補(bǔ)償方案，由于組合封裝或者器件本身結(jié)構(gòu)原因，三軸加速度計(jì)存在橫軸傳感現(xiàn)象，三軸加速度計(jì)的橫軸傳感的度量有下式定義：

式中：Sx，Sz為橫軸方向測(cè)得的傳感量，Sy為測(cè)試方向測(cè)得的傳感量，由于橫軸傳感的存在，使得測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，所以需要對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，首先來考慮兩軸間的傳感補(bǔ)償，如圖8所示。

圖8中，測(cè)試方向?yàn)閥軸方向，加速度傳感器如圖8(a)樣式放置時(shí)，x軸輸出為Voutx-A，y軸輸出為Vouty-A;加速度傳感器如圖8(b)樣式放置時(shí)，x軸輸出為Voutx-B，y軸輸出為Vouty-B，測(cè)試方向y軸傳感量為：

x橫軸傳感量為：

所以當(dāng)傾斜角傳感器傾斜為某一角度時(shí)，x橫軸數(shù)據(jù)經(jīng)y軸進(jìn)行傳感補(bǔ)償后的值為：

式中：xoutComp為補(bǔ)償后的x軸數(shù)據(jù);Vouty-axis為x軸測(cè)量數(shù)據(jù);Vouty-axis為y軸測(cè)量數(shù)據(jù);Voffsety為y軸數(shù)據(jù)偏移值。同樣，z軸數(shù)據(jù)對(duì)x軸數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償后得到x軸數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)值。4.3 數(shù)據(jù)融合

SCA3000工作在測(cè)量模式下時(shí)，傳感器輸出數(shù)據(jù)速率為260 Hz，0.37 s就可以產(chǎn)生一次輸出緩沖存儲(chǔ)器半滿中斷。所以在傾斜角度變化不是很劇烈的情況下，可以對(duì)每一輸出緩沖存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均求得傾斜角度。