结合角速度传感器(陀螺)与加速度计惯导原理.doc

《结合角速度传感器(陀螺)与加速度计惯导原理.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、结合角速度传感器与加速度计  测量车辆运动当测试车辆时，人们常常需要测量车辆的动态运动以及车辆相对于道路的倾角。我们可以通过加速度计来获得车辆转弯、加速或者制动时产生的冲击力，但是，除非车辆在进行上述运动时保持水平，否侧测试结果是不准确的。比如，你想用加速度计测量车辆的制动力，但车辆是向前倾斜的，测量结果中就会有重力分量。大多数倾斜传感器把重力方向当作参考方向。重力是一种加速度，并且不断变化（应该是随高度变化吧）。制动、加速和转弯时，车辆会产生加速度。然而当进行倾斜测量时，我们只需要得到重力加速度；当进行车辆动

2、力测量时，却又只想得到运动加速度。有运动加速度时，倾斜传感器将得到一个不准确的倾角。也就是说，在车辆倾斜时只通过加速度计将无法得到准确的倾角。通过测量绕车辆重心的旋转，角速度传感器有助于纠正车俩向前倾斜带来的不利影响。不幸的是，角速度传感器有其自身的缺陷。它测量旋转速度，不是旋转角度，通过不断积分得到角度。当旋转速度的测量出现偏差，积分后所得的角度将会有很大的偏差。但是，你可以结合角速度值和加速度值，计算出车辆动态运动时的精确数据。角速度和加速度的缺点可以相互弥补。当拥有足够强的计算能力，我们就可以得到实时的加

3、速度和角度的精确值。要实现这一点，你需要测量沿三个轴的加速度和角速度。于是我们沿着车身安装了三轴加速度计，和与值对应的三轴角速度计。见图1。如果可能，传感器最好安装在车辆重心，尽量减少旋转加速度对测量带来的不利影响。  (原文件名:page 1.jpg) 引用图片 图1。  车辆各轴上的传感器 我们可以用角速度传感器测量车辆绕给定轴的旋转。如果一直对角速度积分，将会得到角度关于时间的函数。例如，您可以使用角速度传感器来跟踪车辆沿着X和Y轴的旋转，然后对传感器信号积分，计算出车辆俯仰角和翻滚角。这是一个关于时间的

4、函数。根据这个计算得到的俯仰角和翻滚角，从加速度传感器信号中减去由于倾斜带来的重力分量，最终得到运动加速度。要得到可靠的俯仰角和翻滚角，你必须对角速度信号积分。结果是，角速度信号的偏差，会造成角度的偏差，并且随时间线性增加。此外，角速度传感器的随机噪声会导致计算角度的随机波动，这种波动使得角度以与时间的平方根成正比的速度漂移，even in the absence of rate bias error.这些影响将限制昂贵的角速度传感器在超过几分钟测量时的应用。幸运的是，我们可以利用角速度传感器短时测量准确的优势

5、和加速度计长时稳定的特点，两者结合，得到即能短时稳定又能长时稳定的倾角。用角速度传感器测量短时内角度变化，把加速度传感器当做倾角传感器测量倾角，并在一个长时间范围内，迫使角速度传感器得到的倾角慢慢匹配加速度传感器得到的倾角。要执行这些操作，需要有传感器，以及数据采集和处理设备。我们使用一个三轴加速度计和（三个）3轴角速度计。不管沿哪个方向，你都需要以能测量车辆完整运动的目的来安装这些传感器。还可以添加一个温度传感器，用其采集的数据补偿温度对加速度计和角速度计输出的影响。然后将传感器信号数字化，并输入计算机或存储

6、器。可以使用电脑对得到的数据进行计算。但是，如果想看到实时的计算结果，那得需要一台数字信号处理器（DSP），作为信号采集设备之一。然后，将计算得到的角度数据、已修正的加速度和角速度信息用数据线传送到电脑。如果发送的是二进制数据包，工作在38.4K波特率的串行RS-232数据线应该满足超过200Hz的传输速率。这大大快于角速度传感器的带宽。尽量把传感器安装在靠近车辆运动中心的地方。否侧旋转产生的离心力将会被加速度计测量。请注意，我们使用加速度计只是测量车辆重心的线性加速度，所以要尽量减少旋转运动对加速度测量的耦合

7、。 (原文件名:page 2.jpg) 引用图片 图2。  硬件配置 图3显示了一个轴的算法。实时对角速度传感器输出积分得到原始角度。利用加速度计测量重力方向并推断出倾斜角度。例如，如果在x轴上得到0.1G的加速度，这意味着倾斜角为arcsin(0.1)=5.7°。为了避免震动和冲击造成倾斜角计算错误，使用截止频率为 100Hz或更底的低通滤波器。简单的单极RC滤波器即可。 (原文件名:page 3.jpg) 引用图片 图3。  稳定的角度计算。 计算两角度之差，为误差信号。它可以用来更正角度计算。这里定义了一

8、个增益参数，k，决定着有多少误差信号用于更正角速度积分。最后将角速度原始积分与误差信号(已乘增益)相加。该过程的输出是一个角度值，短时间看角速度值起主导作用，但长时间看是由加速度值来修正的。时间尺度由k值决定。增益参数k is similar to the erection rate in an analog vertical gyro. k值设置时间常数，在这段时间内角速度传感器计算