基于MEMS陀螺儀的汽車(chē)駕駛操作信號采集系統設計

國內外現有的汽車(chē)模擬駕駛器和汽車(chē)駕駛考核系統中，對腳踏板（油門(mén)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(guò)安裝角度傳感器或通過(guò)機械裝置將機構的旋轉運動(dòng)轉換為線(xiàn)性運動(dòng)，安裝線(xiàn)性位移傳感器來(lái)實(shí)現；檔位的位置狀態(tài)則通過(guò)在檔位的不同位置分別安裝行程開(kāi)關(guān)組或非接觸開(kāi)關(guān)組（霍爾開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)）得到開(kāi)關(guān)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(chē)輛中采用多種傳感器形式，檢測裝置規格不統一，給汽車(chē)駕駛狀態(tài)檢測系統的生產(chǎn)制造、安裝、維修、保養帶來(lái)了較大不便[1-2]。

近年來(lái)，微電子機械系統(MEMS)技術(shù)微機械慣性器件日漸成熟，慣性測量系統得到了迅猛發(fā)展[3]。慣性測量系統將微電子、精密機械、傳感器技術(shù)相互融合，具有集成度更高、性?xún)r(jià)比更好、體積更小、功耗更低等特點(diǎn)，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(chǎn)，并有很高的性?xún)r(jià)比，在汽車(chē)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(mǎn)足汽車(chē)駕駛運動(dòng)參數的數據采集要求。

1測量系統的硬件設計

1.1測量系統硬件組成

汽車(chē)駕駛模擬器姿態(tài)測量系統如圖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(mén)、腳剎、離合、手剎、檔位等車(chē)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(shí)現在姿態(tài)和動(dòng)態(tài)加速度變化的條件下，精確測量運動(dòng)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(chē)充電發(fā)電機和車(chē)載蓄電池，供電電壓在9V～30V之間，系統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(jìn)行動(dòng)態(tài)角度測量。ADIS16355陀螺儀是一款多軸運動(dòng)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(shù)，是一個(gè)高度集成的解決方案，提供校準后的數字慣性感應；一個(gè)SPI接口和簡(jiǎn)單輸出注冊結構形成了簡(jiǎn)單的系統接口和編程；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(guò)將兩個(gè)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(dòng)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(gè)剛體中。此時(shí)不論檢測載體（汽車(chē)）是否運動(dòng)，兩個(gè)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(shí)，兩個(gè)三軸姿態(tài)傳感器同時(shí)提取被測物和載體相對地面的三維運動(dòng)信號，兩組信號通過(guò)微處理器的數據融合及處理，屏蔽共有的振動(dòng)、轉動(dòng)慣量、姿態(tài)變化等共模信號，保留被測物體相對運動(dòng)載體角度或錐角變化的差模信號，進(jìn)而得到被測物體相對運動(dòng)載體的姿態(tài)變化量。該方法避開(kāi)了兩參照系數據轉換的繁瑣數學(xué)計算，具有電路簡(jiǎn)單、信號采集處理速度快的特點(diǎn)[6]。如圖2(a)所示，為傳感器在油門(mén)踏板上的差分安裝原理圖。


2軟件設計

檢測系統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(dòng)態(tài)傾角檢測裝置，通過(guò)兩個(gè)模塊同時(shí)提取被測物體和動(dòng)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(jīng)過(guò)模擬量數據處理模塊，屏蔽共有的振動(dòng)、轉動(dòng)慣量和姿態(tài)變化等共模信號，保留被測物體相對運動(dòng)載體錐角變化的差模信號，該檢測信號經(jīng)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(shí)現被測物相對載體傾角的測量。


3實(shí)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(dòng)模塊固定于離合器、剎車(chē)和油門(mén)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(shí)使兩個(gè)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(shí)車(chē)上的安裝圖。

在實(shí)車(chē)上進(jìn)行實(shí)車(chē)實(shí)驗，刻意讓車(chē)體產(chǎn)生最大幅度的振動(dòng)和姿態(tài)變化，采集踩下油門(mén)踏板（以油門(mén)踏板為例）然后放開(kāi)踏板時(shí)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(jìn)行綜合考慮，相互修正，得到汽車(chē)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(xiàn)?？梢钥闯?，試驗結果滿(mǎn)足動(dòng)感汽車(chē)駕駛操作傾角信號采集的精度要求，說(shuō)明此測量系統的可行性。

圖4為對油門(mén)踏板X(qián)軸數據修正融合后的差模數據擬合曲線(xiàn)。

本文研究設計了基于A(yíng)DIS16355和DSP的汽車(chē)駕駛操作信號采集系統，基本思想是通過(guò)采集重力加速度和角速率信號，并對據進(jìn)行處理，最后運用差分測量方法，實(shí)現了對汽車(chē)駕駛狀態(tài)的實(shí)時(shí)準確測量。實(shí)驗結果表明該測量系統能滿(mǎn)足汽車(chē)駕駛操作信號采集的精度要求。