利用加速度計和陀螺儀測量車(chē)輛運動(dòng)

當測試車(chē)輛時(shí)，人們常常需要測量車(chē)輛的動(dòng)態(tài)運動(dòng)以及車(chē)輛相對于道路的傾角。我們可以通過(guò)加速度計來(lái)獲得車(chē)輛轉彎、加速或者制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊力，但是，除非車(chē)輛在進(jìn)行上述運動(dòng)時(shí)保持水平，否側測試結果是不準確的。比如，你想用加速度計測量車(chē)輛的制動(dòng)力，但車(chē)輛是向前傾斜的，測量結果中就會(huì )有重力分量。

大多數傾斜傳感器把重力方向當作參考方向。重力是一種加速度，并且不斷變化（應該是隨高度變化吧）。制動(dòng)、加速和轉彎時(shí)，車(chē)輛會(huì )產(chǎn)生加速度。然而當進(jìn)行傾斜測量時(shí)，我們只需要得到重力加速度；當進(jìn)行車(chē)輛動(dòng)力測量時(shí)，卻又只想得到運動(dòng)加速度。

有運動(dòng)加速度時(shí)，傾斜傳感器將得到一個(gè)不準確的傾角。也就是說(shuō)，在車(chē)輛傾斜時(shí)只通過(guò)加速度計將無(wú)法得到準確的傾角。

通過(guò)測量繞車(chē)輛重心的旋轉，陀螺儀有助于糾正車(chē)倆向前傾斜帶來(lái)的不利影響。不幸的是，陀螺儀有其自身的缺陷。它測量旋轉速度，不是旋轉角度，通過(guò)不斷積分得到角度。當旋轉速度的測量出現偏差，積分后所得的角度將會(huì )有很大的偏差。但是，你可以結合角速度值和加速度值，計算出車(chē)輛動(dòng)態(tài)運動(dòng)時(shí)的精確數據。角速度和加速度的缺點(diǎn)可以相互彌補。當擁有足夠強的計算能力，我們就可以得到實(shí)時(shí)的加速度和角度的精確值。

要實(shí)現這一點(diǎn)，你需要測量沿三個(gè)軸的加速度和角速度。于是我們沿著(zhù)車(chē)身安裝了三軸加速度計，和與值對應的三軸陀螺儀。見(jiàn)圖1。如果可能，傳感器最好安裝在車(chē)輛重心，盡量減少旋轉加速度對測量帶來(lái)的不利影響。

圖1 車(chē)輛各軸上的傳感器

我們可以用陀螺儀測量車(chē)輛繞給定軸的旋轉。如果一直對角速度積分，將會(huì )得到角度關(guān)于時(shí)間的函數。例如，您可以使用陀螺儀來(lái)跟蹤車(chē)輛沿著(zhù)X和Y軸的旋轉，然后對傳感器信號積分，計算出車(chē)輛俯仰角和翻滾角。這是一個(gè)關(guān)于時(shí)間的函數。根據這個(gè)計算得到的俯仰角和翻滾角，從加速度傳感器信號中減去由于傾斜帶來(lái)的重力分量，最終得到運動(dòng)加速度。

要得到可靠的俯仰角和翻滾角，你必須對角速度信號積分。結果是，角速度信號的偏差，會(huì )造成角度的偏差，并且隨時(shí)間線(xiàn)性增加。此外，陀螺儀的隨機噪聲會(huì )導致計算角度的隨機波動(dòng)，這種波動(dòng)使得角度以與時(shí)間的平方根成正比的速度漂移。這些影響將限制昂貴的陀螺儀在超過(guò)幾分鐘測量時(shí)的應用。

幸運的是，我們可以利用陀螺儀短時(shí)測量準確的優(yōu)勢和加速度計長(cháng)時(shí)穩定的特點(diǎn)，兩者結合，得到即能短時(shí)穩定又能長(cháng)時(shí)穩定的傾角。用陀螺儀測量短時(shí)內角度變化，把加速度傳感器當做傾角傳感器測量?jì)A角，并在一個(gè)長(cháng)時(shí)間范圍內，迫使陀螺儀得到的傾角慢慢匹配加速度傳感器得到的傾角。

要執行這些操作，需要有傳感器，以及數據采集和處理設備。我們使用一個(gè)三軸加速度計和（三個(gè)）3軸陀螺儀。不管沿哪個(gè)方向，你都需要以能測量車(chē)輛完整運動(dòng)的目的來(lái)安裝這些傳感器。還可以添加一個(gè)溫度傳感器，用其采集的數據補償溫度對加速度計和陀螺儀輸出的影響。然后將傳感器信號數字化，并輸入計算機或存儲器。

可以使用電腦對得到的數據進(jìn)行計算。但是，如果想看到實(shí)時(shí)的計算結果，那得需要一臺數字信號處理器（DSP），作為信號采集設備之一。然后，將計算得到的角度數據、已修正的加速度和角速度信息用數據線(xiàn)傳送到電腦。如果發(fā)送的是二進(jìn)制數據包，工作在38.4K波特率的串行RS-232數據線(xiàn)應該滿(mǎn)足超過(guò)200Hz的傳輸速率。這大大快于陀螺儀的帶寬。

盡量把傳感器安裝在靠近車(chē)輛運動(dòng)中心的地方。否側旋轉產(chǎn)生的離心力將會(huì )被加速度計測量。請注意，我們使用加速度計只是測量車(chē)輛重心的線(xiàn)性加速度，所以要盡量減少旋轉運動(dòng)對加速度測量的耦合。