基于MEMS陀螺儀的汽車駕駛操作信號采集系統(tǒng)設計

國內外現有的汽車模擬駕駛器和汽車駕駛考核系統(tǒng)中，對腳踏板（油門踏板、腳剎踏板、離合踏板）及手剎等操作機構的狀態(tài)信號的提取，主要是通過安裝角度傳感器或通過機械裝置將機構的旋轉運動轉換為線性運動，安裝線性位移傳感器來實現；檔位的位置狀態(tài)則通過在檔位的不同位置分別安裝行程開關組或非接觸開關組（霍爾開關、光電開關）得到開關量信號，獲取檔位的位置信息。由于這些傳感器成本較高、體積較大，且在一臺車輛中采用多種傳感器形式，檢測裝置規(guī)格不統(tǒng)一，給汽車駕駛狀態(tài)檢測系統(tǒng)的生產制造、安裝、維修、保養(yǎng)帶來了較大不便[1-2]。

近年來，微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術微機械慣性器件日漸成熟，慣性測量系統(tǒng)得到了迅猛發(fā)展[3]。慣性測量系統(tǒng)將微電子、精密機械、傳感器技術相互融合，具有集成度更高、性價比更好、體積更小、功耗更低等特點，且由于微機械結構制作精確、重復性好、易于集成化、適于大批量生產，并有很高的性價比，在汽車上得到了廣泛的應用[4-5]。陀螺儀和加速度計是姿態(tài)測量系統(tǒng)的重要組成單元，本文選擇了ADIS16355傳感器，該傳感器集成了三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀傳感器，具有體積小、功能強、功耗低等特性，完全滿足汽車駕駛運動參數的數據采集要求。

1測量系統(tǒng)的硬件設計

1.1測量系統(tǒng)硬件組成

汽車駕駛模擬器姿態(tài)測量系統(tǒng)如圖1所示，主要包括信號采集模塊（陀螺儀及信號調理電路）、信號處理及傳輸模塊（微控制器及通信電路）、電源模塊三部分。

信號采集模塊由MEMS陀螺儀傳感器和信號調理電路組成，完成對油門、腳剎、離合、手剎、檔位等車輛駕駛操作機構傾角變化的物理量轉換，并完成傳感器輸出信號的可靠傳輸；信號處理及傳輸模塊由DSP構成核心器件，實現在姿態(tài)和動態(tài)加速度變化的條件下，精確測量運動機構的傾角變化，完成信號的數字濾波、角速度變化量積分為角度變化量的運算、差分處理及串行輸出等工作；供電電源采用汽車充電發(fā)電機和車載蓄電池，供電電壓在9V～30V之間，系統(tǒng)設備使用的電源電壓為5V。

1.2MEMS加速度傳感器的選擇

本文采用微機械(MEMS)ADIS16355陀螺儀進行動態(tài)角度測量。ADIS16355陀螺儀是一款多軸運動傳感器，它高效地將三軸陀螺與三軸加速度計相結合，以測量所有六自由度。該傳感器集成了AD公司微機械和混合信息處理技術，是一個高度集成的解決方案，提供校準后的數字慣性感應；一個SPI接口和簡單輸出注冊結構形成了簡單的系統(tǒng)接口和編程；單電源操作在4.75V～5.25V；2000g沖擊承受力。與其他現成慣性傳感器相比，ADI-

S16355精度提高了50倍，易于集成（23mm×23mm×23mmMod封裝）。

1.3差分測量方法

通過將兩個姿態(tài)傳感器探頭分別設置在被測物體和該被測物體所處的運動載體上，兩姿態(tài)傳感器在初始狀態(tài)姿態(tài)相同，其安裝位置應盡量靠近，使兩傳感器近似處于一個剛體中。此時不論檢測載體（汽車）是否運動，兩個姿態(tài)傳感器探頭輸出的檢測信號大小相等，差模信號接近為零。當檢測裝置工作時，兩個三軸姿態(tài)傳感器同時提取被測物和載體相對地面的三維運動信號，兩組信號通過微處理器的數據融合及處理，屏蔽共有的振動、轉動慣量、姿態(tài)變化等共模信號，保留被測物體相對運動載體角度或錐角變化的差模信號，進而得到被測物體相對運動載體的姿態(tài)變化量。該方法避開了兩參照系數據轉換的繁瑣數學計算，具有電路簡單、信號采集處理速度快的特點[6]。如圖2(a)所示，為傳感器在油門踏板上的差分安裝原理圖。


2軟件設計

檢測系統(tǒng)的軟件包括數據采集和數據處理兩部分，軟件流程圖如圖3所示。按照安裝動態(tài)傾角檢測裝置，通過兩個模塊同時提取被測物體和動態(tài)載體上四組三維檢測信號（兩組角速度信號和兩組加速度信號）。這四組三維電壓模擬量的采集信號經過模擬量數據處理模塊，屏蔽共有的振動、轉動慣量和姿態(tài)變化等共模信號，保留被測物體相對運動載體錐角變化的差模信號，該檢測信號經DSP的運算處理，完成MEMS陀螺儀傳感器輸出的檢測信號與對應角度量的轉換，實現被測物相對載體傾角的測量。


3實驗

按照差分測量的要求，將靜止模塊粘貼于固定支架上，將運動模塊固定于離合器、剎車和油門踏板上（兩模塊與剛性架構間均用減振膠和海綿做減振材料），安裝時使兩個模塊X軸處于測量靈敏度最高的測量位置，如圖2(b)所示為傳感器在實車上的安裝圖。

在實車上進行實車實驗，刻意讓車體產生最大幅度的振動和姿態(tài)變化，采集踩下油門踏板（以油門踏板為例）然后放開踏板時的部分測試數據，分別利用加速度信息Xg1～Xg2、角速度信息X?棕1～X?棕2的數據進行綜合考慮，相互修正，得到汽車姿態(tài)角的最優(yōu)估計值。如圖4為對加速度計和角速度陀螺X軸數據相互修正融合后的差模數據擬合曲線?？梢钥闯?，試驗結果滿足動感汽車駕駛操作傾角信號采集的精度要求，說明此測量系統(tǒng)的可行性。

圖4為對油門踏板X軸數據修正融合后的差模數據擬合曲線。

本文研究設計了基于ADIS16355和DSP的汽車駕駛操作信號采集系統(tǒng)，基本思想是通過采集重力加速度和角速率信號，并對據進行處理，最后運用差分測量方法，實現了對汽車駕駛狀態(tài)的實時準確測量。實驗結果表明該測量系統(tǒng)能滿足汽車駕駛操作信號采集的精度要求。