基于MEMS組合模塊的姿態(tài)檢測系統設計
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為了方便調整傳感器安裝位置和角度，在硬件設計時(shí)采用了模塊化思想，將加速度計和陀螺儀設計在一塊獨立的小電路板上，并使加速度計的X敏感軸正方向指向被測平臺的水平向前方向，而陀螺儀的旋轉敏感軸則需要垂直于加速度計的X軸且平行于加速度計的Y軸進(jìn)行安裝。系統通過(guò)預留數據端口外接LCD液晶顯示屏，可以經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單編程直接將姿態(tài)數據顯示出來(lái)。系統的電源由一只7．5 V可充電電池提供，并由L7805構成的穩壓電路轉換成穩定的5 V電源為整個(gè)系統供電。采用4 MHz晶振提供系統時(shí)鐘。系統簡(jiǎn)化原理圖如圖8所示。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/194995.htm
3．2 軟件設計
PIC16F877中自帶一個(gè)10位精度的模／數轉換(ADC)模塊，支持8路模擬轉換通道。對于本系統中的加速度計和陀螺儀，其10位模／數轉換模塊的分辨率完全可以達到系統所需的精度要求。根據系統時(shí)鐘頻率和模／數轉換(ADC)模塊轉換時(shí)間，選擇1／8時(shí)鐘頻率作為模／數轉換時(shí)鐘，分別由AN0、AN1、AN2通道采集加速度計和陀螺儀的模擬量信號。由于陀螺儀的采樣結果在后續的信號處理中需要進(jìn)行積分處理，所以要求模／數轉換模塊的每次采樣間隔時(shí)間盡可能相等，以保證后續運算的準確性。在PIC16F877中的CCP2模塊設置為特殊事件觸發(fā)模式時(shí)，配合計時(shí)器1，可以實(shí)現對模／數轉換模塊的定時(shí)中斷開(kāi)啟功能。在使用特殊事件觸發(fā)啟動(dòng)模／數轉換時(shí)，需要注意幾個(gè)細節方面的處理方能得到準確的模／數轉換結果：首先，在模／數轉換模塊初始化時(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／數轉換；其次，在通過(guò)AN0、AN1、AN2三個(gè)模擬通道相互切換實(shí)現對加速度計和陀螺儀的采樣過(guò)程中，需要使用ADIF中斷響應來(lái)獲取模／數轉換的結果并進(jìn)行通道切換，在通道切換后，必須保證在下一次模／數轉換模塊觸發(fā)來(lái)臨之前有足夠的采樣時(shí)間。根據對整個(gè)系統需求的綜合分析，將CCP2的觸發(fā)采樣周期設為5 ms。中斷程序流程如圖9所示。
4 系統測試
實(shí)驗是在25℃室內環(huán)境下進(jìn)行測試的。首先將本姿態(tài)測量系統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)的電機上電運行以提供一種強震動(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)行測量的數據。
從測量結果可以看出，隨著(zhù)角度增大，由于MEMS器件的非線(xiàn)性因素導致誤差有所增大，但在0°到30°之間誤差保持在50’以?xún)?，誤差精度完全可以滿(mǎn)足兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)的控制要求。數據顯示，測量數據的數值普遍比真實(shí)值偏大，這是由于被測試平臺安裝的初始角度比真實(shí)零初始角度偏大造成的，在對初始安裝位置進(jìn)行校正后會(huì )進(jìn)一步縮小誤差。為了達到更高精度，除了在初始安裝時(shí)對初始位置進(jìn)行校正外，還需要對MEMS器件進(jìn)行更精確的標定和合適的溫度補償。
5 結論
文中構造了滿(mǎn)足本系統要求的數據融合模型，利用Matlab工具驗證了該模型的合理性和有效性，并設計了本姿態(tài)測量系統的硬件電路。實(shí)驗測試表明，誤差精度完全可以滿(mǎn)足兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)的平衡控制的需求。本姿態(tài)測量系統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顯示器構成獨立的姿態(tài)測量系統，也可為其他平臺提供實(shí)時(shí)準確的姿態(tài)數據，通過(guò)簡(jiǎn)單的軟件擴展還可以提供角速度、角加速度等姿態(tài)參數的測量。
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