基于MEMS組合模塊的姿態(tài)檢測系統(tǒng)設計
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為了方便調(diào)整傳感器安裝位置和角度，在硬件設計時采用了模塊化思想，將加速度計和陀螺儀設計在一塊獨立的小電路板上，并使加速度計的X敏感軸正方向指向被測平臺的水平向前方向，而陀螺儀的旋轉敏感軸則需要垂直于加速度計的X軸且平行于加速度計的Y軸進行安裝。系統(tǒng)通過預留數(shù)據(jù)端口外接LCD液晶顯示屏，可以經(jīng)過簡單編程直接將姿態(tài)數(shù)據(jù)顯示出來。系統(tǒng)的電源由一只7．5 V可充電電池提供，并由L7805構成的穩(wěn)壓電路轉換成穩(wěn)定的5 V電源為整個系統(tǒng)供電。采用4 MHz晶振提供系統(tǒng)時鐘。系統(tǒng)簡化原理圖如圖8所示。本文引用地址：http://www.104case.com/article/194995.htm
3．2 軟件設計
PIC16F877中自帶一個10位精度的模／數(shù)轉換(ADC)模塊，支持8路模擬轉換通道。對于本系統(tǒng)中的加速度計和陀螺儀，其10位模／數(shù)轉換模塊的分辨率完全可以達到系統(tǒng)所需的精度要求。根據(jù)系統(tǒng)時鐘頻率和模／數(shù)轉換(ADC)模塊轉換時間，選擇1／8時鐘頻率作為模／數(shù)轉換時鐘，分別由AN0、AN1、AN2通道采集加速度計和陀螺儀的模擬量信號。由于陀螺儀的采樣結果在后續(xù)的信號處理中需要進行積分處理，所以要求模／數(shù)轉換模塊的每次采樣間隔時間盡可能相等，以保證后續(xù)運算的準確性。在PIC16F877中的CCP2模塊設置為特殊事件觸發(fā)模式時，配合計時器1，可以實現(xiàn)對模／數(shù)轉換模塊的定時中斷開啟功能。在使用特殊事件觸發(fā)啟動模／數(shù)轉換時，需要注意幾個細節(jié)方面的處理方能得到準確的模／數(shù)轉換結果：首先，在模／數(shù)轉換模塊初始化時，需要將ADCONO寄存器中的ADON位置1，否則即使在特殊事件觸發(fā)后也不能啟動模／數(shù)轉換；其次，在通過AN0、AN1、AN2三個模擬通道相互切換實現(xiàn)對加速度計和陀螺儀的采樣過程中，需要使用ADIF中斷響應來獲取模／數(shù)轉換的結果并進行通道切換，在通道切換后，必須保證在下一次模／數(shù)轉換模塊觸發(fā)來臨之前有足夠的采樣時間。根據(jù)對整個系統(tǒng)需求的綜合分析，將CCP2的觸發(fā)采樣周期設為5 ms。中斷程序流程如圖9所示。
4 系統(tǒng)測試
實驗是在25℃室內(nèi)環(huán)境下進行測試的。首先將本姿態(tài)測量系統(tǒng)固定安裝在兩輪自平衡電動車車體上，再將兩輪自平衡車的電機上電運行以提供一種強震動干擾環(huán)境。表2是將兩輪自平衡車車體分別固定在0°、30°、45°三個位置進行測量的數(shù)據(jù)。
從測量結果可以看出，隨著角度增大，由于MEMS器件的非線性因素導致誤差有所增大，但在0°到30°之間誤差保持在50’以內(nèi)，誤差精度完全可以滿足兩輪自平衡電動車的控制要求。數(shù)據(jù)顯示，測量數(shù)據(jù)的數(shù)值普遍比真實值偏大，這是由于被測試平臺安裝的初始角度比真實零初始角度偏大造成的，在對初始安裝位置進行校正后會進一步縮小誤差。為了達到更高精度，除了在初始安裝時對初始位置進行校正外，還需要對MEMS器件進行更精確的標定和合適的溫度補償。
5 結論
文中構造了滿足本系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)融合模型，利用Matlab工具驗證了該模型的合理性和有效性，并設計了本姿態(tài)測量系統(tǒng)的硬件電路。實驗測試表明，誤差精度完全可以滿足兩輪自平衡電動車的平衡控制的需求。本姿態(tài)測量系統(tǒng)除了具有很好的抗干擾性能，還具有很好的可移植性，既可外接LCD顯示器構成獨立的姿態(tài)測量系統(tǒng)，也可為其他平臺提供實時準確的姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過簡單的軟件擴展還可以提供角速度、角加速度等姿態(tài)參數(shù)的測量。
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