基于MEMS陀螺仪和加速度计的动态倾角传感器

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1、第9期机械设计与制造2012年9月MachineryDesign＆Manufacture141文章编号：1001-3997（2012）09-0141-02基于MEMS陀螺仪和加速度计的动态倾角传感器*张杰（西南科技大学制造过程测试技术教育部重点实验室，绵阳621010）DynamicTiltSensorBasedonMEMSGyroandAccelerometerZHANGJie（KeyLaboratoryofTestingTechnologyforManufacturingProcessMinistryofEducation，SouthwestUniversityofSc

2、ienceandTechnology，Mianyang621010，China）【摘要】仿人形机器人各关节的姿态及重心位置是其步态控制研究的关键。为了获得这些姿态数据，设计了一种基于MEMS陀螺仪和加速度计的低成本动态倾角传感器，利用卡尔曼滤波算法将陀螺仪和加速度计输出的数据进行滤波融合，解决了加速度计因机器人的线性加速度而无法准确测量其动态倾角、陀螺仪因存在漂移等而长时间测量精度不高的问题。实际测试结果表明，所设计的传感器能够测量动态倾角并具有较高的精度，可以满

3、足仿人形机器人姿态控制的需要。关键词：MEMS；陀螺仪；加速度计；动态倾角传感器；卡尔曼滤波【Abstract】Theattitudeofeachjointandcentre-of-gravitypositionarethekeyfactorsofhumanoidrobotsgaitresearch.Inordertogetattitudedata，alowcostdynamictiltsensorbasedonMEMSgyroandaccelerometerwasdesigned.Problemsofaccelerometercan’tmeasure

4、dynamictiltaccuratelyduetotherobot’slineraccelerationandgyrocan’tdothelongtimemeasuringduetothedrifterrorsolvedbyusingkalmanfiltertodothedatafusion.Testingresultssuggestedthesensorcanmeasurethedynamictiltaccu－ratelyandcanbeusedtodothehumanoidrobot’sattitudecontrol.KeyWords：MEM

5、S;Gyro;Accelerometer;DynamicTiltSensor;KalmanFilter中图分类号：TH16；V241.4；TP212文献标识码：A1引言通过测量加速度计各轴的输出便可以得出物体的倾角[3]。对于静止物体而言，加速度计测量出来的角度十分准确。但是，一旦物体仿人形机器人步行姿态控制是机器人研究的重要课题之运动，会在加速度计相应的敏感轴引入除重力以外的加速度（除一，目前国内外研究机构主要采取自制传感器或购买商用传感器非物体处于匀速运动状态），此时倾角的计算将会因物体

6、运动的用于机器人姿态的获取，自制传感器一般都未公开资料且有一定加速度影响而变得不准确，实际应用中，物体不可能长时间做匀的针对性，并不通用；商用传感器价格昂贵，对于具有多个自由度速运动，因此加速度计不适合用于测量运动物体的倾角。的仿人形机器人而言，采用商用传感器成本高，且对于小型的机从上面的分析不难看出，陀螺仪和加速度计具有互补性：加器人，商用传感器体积过大不便于安装。基于以上原因，根据我们速度计可以测量静止物体的倾角并具有较高的准确性；陀螺仪可机器人的结构特点，设计了一种低成本、小体积、接口简单的动态以测量动态物体的角速度并在短时间内具有较高的准确性。本设倾角传感器，用于机

7、器人行走时倾角和腿部关节姿态的获取。计正是利用两者的互补性来测量机器人的动态倾角。2陀螺仪和加速度计测量倾角原理3倾角传感器的系统组成陀螺仪是测量物体角速度的传感器，当陀螺仪随物体运动设计中采用的陀螺仪芯片为意法半导体公司的三轴MEMS时，陀螺仪能够测量物体绕各个轴转动的角速度，通过对角速度数字陀螺仪L3G4200D，其测量范围为（±250）dps/（±500）dps/进行积分运算，就能得到物体旋转的角度[1]。短时间内，陀螺仪测（±2000）dps可调，输出采用SPI/I2C接口，十分便于和MCU进行量具有较高的