基于MEMS組合模塊的姿態(tài)檢測系統(tǒng)設(shè)計

摘要：在研究兩輪自平衡電動車的平衡控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于MEMS組合模塊的姿態(tài)測量系統(tǒng)。通過對各MEMS傳感器輸出信號特征的提取、分析，將離散化低通濾波器模型與互補(bǔ)濾波的思想相結(jié)合，巧妙地構(gòu)造出一種便于本系統(tǒng)實現(xiàn)的數(shù)據(jù)融合模型。同時，提供了一種基于MEMS組合模塊姿態(tài)檢測的低成本、可行性方案。
關(guān)鍵詞：MEMS組合模塊；姿態(tài)檢測；數(shù)據(jù)融合；MMA7260；ADXRS610

引言
在兩輪自平衡電動車的平衡控制中，對車體的俯仰角進(jìn)行實時準(zhǔn)確的測量是整個平衡控制的前提。傳統(tǒng)的機(jī)械式姿態(tài)測量儀體積大、響應(yīng)速度慢、測量精度低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足雙輪自平衡電動車平衡控制的實時性和精確性要求?；诠鈱W(xué)原理和圖像處理技術(shù)的姿態(tài)測量儀精度較高，但是價格昂貴，且需要進(jìn)行大量的復(fù)雜運(yùn)算，一般需要計算機(jī)輔助完成，不符合兩輪自平衡電動車的成本和車載性要求。本文采用ME-MS組合模塊的設(shè)計方案實現(xiàn)了對車體俯仰角的測量。本測量系統(tǒng)不但具有體積小、響應(yīng)快、成本低的特點外，而且經(jīng)過數(shù)據(jù)融合處理后，有效地減小了環(huán)境中震動干擾的影響，能夠在具有強(qiáng)烈震動的車體環(huán)境中達(dá)到系統(tǒng)的精度要求。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理
1．1 系統(tǒng)構(gòu)成
本姿態(tài)測量系統(tǒng)主要由單片機(jī)PIC16F877、加速度計MMA7260和陀螺儀ADXRS610構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。Microchip公司提供的PIC16F877芯片作為控制芯片，負(fù)責(zé)對加速度計與陀螺儀進(jìn)行A／D采樣及后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

ADXRS610是ADI公司推出的一款高性價比的單軸陀螺儀。ADXRS610是一款模擬量輸出器件，其輸出量與繞旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角速度成線性正比，對角速度量進(jìn)行積分運(yùn)算即可得到旋轉(zhuǎn)的角度值。ADXRS610角速度的測量范圍是±300 rad／s，靈敏度為6 mV／(rad·s-1)，零位輸出電壓為2．50 V，非線性誤差為±0．1％F．S．，-3 dB帶寬為40 Hz，固有頻率為14 kHz。
1．2 加速度計的數(shù)學(xué)應(yīng)用原理
MMA7260是一款性價比較高的三軸模擬量輸出加速度計，模擬輸出量與其敏感軸方向上所受加速度大小成線性關(guān)系。文中利用MMA7260測得靜態(tài)加速度值，進(jìn)而計算出被測平臺與水平面的夾角值。所謂測量靜態(tài)加速度，是指在平臺靜止時，測量重力加速度在某一敏感軸上的分量的大小。由于重力加速度的方向總是垂直向下的，這正好為測量系統(tǒng)提供了一個天然的參考坐標(biāo)系。通過加速度計間接測量角度的數(shù)學(xué)原理有兩種方式。
方式一如圖2所示。利用單一敏感軸測得重力加速度分量，其中角度θ、重力加速度g與敏感軸分量gx三者構(gòu)成反余弦關(guān)系：

方式二如圖3所示。

利用雙敏感軸測得重力加速度分量，其中角度θ、Y敏感軸分量gy與X敏感軸分量gx三者構(gòu)成反正切關(guān)系：

方式一只需要單軸加速度計就能實現(xiàn)角度測量，在數(shù)據(jù)采集時也只需要單通道的ADC模塊進(jìn)行處理，在硬件成本和軟件編程的難易度方面都有優(yōu)勢。方式二采用兩敏感軸同時采集兩個方向的重力加速度分量，通過兩個軸的分量比來獲取角度值。由于兩敏感軸所處的環(huán)境因素一樣，因此對于震動、溫度變化等因素的干擾有一定的抑制效果。另外，對于不同地理位置的重力加速度常量值的變化，方式一會產(chǎn)生相應(yīng)的誤差，而方式二可以從原理上消除此類誤差。經(jīng)比較，選用第二種方式。