基于MEMS組合模塊的姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
加入技術(shù)交流群
為了方便調(diào)整傳感器安裝位置和角度，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)采用了模塊化思想，將加速度計(jì)和陀螺儀設(shè)計(jì)在一塊獨(dú)立的小電路板上，并使加速度計(jì)的X敏感軸正方向指向被測(cè)平臺(tái)的水平向前方向，而陀螺儀的旋轉(zhuǎn)敏感軸則需要垂直于加速度計(jì)的X軸且平行于加速度計(jì)的Y軸進(jìn)行安裝。系統(tǒng)通過(guò)預(yù)留數(shù)據(jù)端口外接LCD液晶顯示屏，可以經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單編程直接將姿態(tài)數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。系統(tǒng)的電源由一只7．5 V可充電電池提供，并由L7805構(gòu)成的穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的5 V電源為整個(gè)系統(tǒng)供電。采用4 MHz晶振提供系統(tǒng)時(shí)鐘。系統(tǒng)簡(jiǎn)化原理圖如圖8所示。本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/194995.htm
3．2 軟件設(shè)計(jì)
PIC16F877中自帶一個(gè)10位精度的模／數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)模塊，支持8路模擬轉(zhuǎn)換通道。對(duì)于本系統(tǒng)中的加速度計(jì)和陀螺儀，其10位模／數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的分辨率完全可以達(dá)到系統(tǒng)所需的精度要求。根據(jù)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和模／數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)模塊轉(zhuǎn)換時(shí)間，選擇1／8時(shí)鐘頻率作為模／數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，分別由AN0、AN1、AN2通道采集加速度計(jì)和陀螺儀的模擬量信號(hào)。由于陀螺儀的采樣結(jié)果在后續(xù)的信號(hào)處理中需要進(jìn)行積分處理，所以要求模／數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的每次采樣間隔時(shí)間盡可能相等，以保證后續(xù)運(yùn)算的準(zhǔn)確性。在PIC16F877中的CCP2模塊設(shè)置為特殊事件觸發(fā)模式時(shí)，配合計(jì)時(shí)器1，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模／數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的定時(shí)中斷開(kāi)啟功能。在使用特殊事件觸發(fā)啟動(dòng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，需要注意幾個(gè)細(xì)節(jié)方面的處理方能得到準(zhǔn)確的模／數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果：首先，在模／數(shù)轉(zhuǎn)換模塊初始化時(shí)，需要將ADCONO寄存器中的ADON位置1，否則即使在特殊事件觸發(fā)后也不能啟動(dòng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換；其次，在通過(guò)AN0、AN1、AN2三個(gè)模擬通道相互切換實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度計(jì)和陀螺儀的采樣過(guò)程中，需要使用ADIF中斷響應(yīng)來(lái)獲取模／數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果并進(jìn)行通道切換，在通道切換后，必須保證在下一次模／數(shù)轉(zhuǎn)換模塊觸發(fā)來(lái)臨之前有足夠的采樣時(shí)間。根據(jù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)需求的綜合分析，將CCP2的觸發(fā)采樣周期設(shè)為5 ms。中斷程序流程如圖9所示。
4 系統(tǒng)測(cè)試
實(shí)驗(yàn)是在25℃室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試的。首先將本姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)固定安裝在兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)車(chē)體上，再將兩輪自平衡車(chē)的電機(jī)上電運(yùn)行以提供一種強(qiáng)震動(dòng)干擾環(huán)境。表2是將兩輪自平衡車(chē)車(chē)體分別固定在0°、30°、45°三個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量的數(shù)據(jù)。
從測(cè)量結(jié)果可以看出，隨著角度增大，由于MEMS器件的非線性因素導(dǎo)致誤差有所增大，但在0°到30°之間誤差保持在50’以內(nèi)，誤差精度完全可以滿足兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)的控制要求。數(shù)據(jù)顯示，測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)值普遍比真實(shí)值偏大，這是由于被測(cè)試平臺(tái)安裝的初始角度比真實(shí)零初始角度偏大造成的，在對(duì)初始安裝位置進(jìn)行校正后會(huì)進(jìn)一步縮小誤差。為了達(dá)到更高精度，除了在初始安裝時(shí)對(duì)初始位置進(jìn)行校正外，還需要對(duì)MEMS器件進(jìn)行更精確的標(biāo)定和合適的溫度補(bǔ)償。
5 結(jié)論
文中構(gòu)造了滿足本系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)融合模型，利用Matlab工具驗(yàn)證了該模型的合理性和有效性，并設(shè)計(jì)了本姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的硬件電路。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，誤差精度完全可以滿足兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)的平衡控制的需求。本姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)除了具有很好的抗干擾性能，還具有很好的可移植性，既可外接LCD顯示器構(gòu)成獨(dú)立的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，也可為其他平臺(tái)提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)簡(jiǎn)單的軟件擴(kuò)展還可以提供角速度、角加速度等姿態(tài)參數(shù)的測(cè)量。
評(píng)論