论文研究-基于MEMS器件的车辆姿态测量系统开发 .pdf

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基于MEMS器件的车辆姿态测量系统开发,王建锋,张红,以车辆姿态角测量为研究对象,给出了基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)陀螺的姿态角测量原理和具体的姿态解算方法。开发了车辆姿态��
取国科技论又在线 △-△-△6 △-Ab △b-△6 △ △O△0-△O 式可以简化为式() 将展开可得到式() +-46+-△0 △O 由于: =-△+△0+△O △b △b=-△b△日 () △6=-△6 将式代入式整理易知 △ △6 △6 △O 在实际应用中,地N和A展为级数形式再取其有限项,就可以求出四元数的 各阶近似算法如下。 阶算法: +=+-A 二阶算法: △O +-a6 三阶算法:+ △O △O △ 四阶算法:+ △6 △b △O 除了用増量算法求解四元数微分方程外,龙格库塎法或阿达姻斯方法也常在实际中被 运用。但迭代一定时间后,四元数会不满足++=,为了让其满足 + 必须进行归一化处理。 姿态测量系统开发 硬件电路设计 本文研究选用的是航天时代电子公司牛产的微型、低成本 陀螺,轴和轴的 量程为 轴的量程为 ,陀螺漂移为 开发的车辆姿态系统所检测到的 车辆姿态信息用于辅助汽车的智能控制。 车辆行驶过程中,车辆本身的振动会造成车辆姿态的实时变动,所以所开发系统的姿态 角测量精度如能达到区分是正常自振还是汽车行驶产生的姿态变化,就可以满足应用的要 求。按现有的应用要求,侧倾角和俯仰角的测量精度不大 横摆角的测量精度不大丁 就可以满足车联网的应用需求 在姿态测量系统的实时性要求方面,系统的控制精度达到厘米级就可以满足应用要求。 取国科技论又在线 假设车辆以 的速度行驶,要到达厘米缴的响应精度,每次姿态角的解算吋间为 综合实时性和开发成本,本文研究开发的姿态角测量系统的角度输出频率 为 姿态测量系统廾发的基木思路是先将 陀螺输出的角速率信号经过信号调理电路 预处理,并进行转化;然后通过误差补偿模块进行个轴的角速率信号的温度补偿和 随杋误差补偿;最后通过姿态解算求解出各轴姿态角。所开发系统的结构如图所示。 号调理 奖态年阵 路 计耳 图车姿态测量系统结构图 系统总线连接如图所示。系统采用了一条位宽度的总线,由统一管 理 米用 公司生产的 芯片, 号管脚作为数据总线 号管脚作为地址总线。由该两条总线驱动和管理外围部件。 图 系统总线连接图 临时存储器 选用的是 芯片,地址线和数据线分别接到 的数据 和地址总线上,如图所示 取国科技论又在线 图 总线连接图 的配置方式采用的是配置,如图所示。 连接至编程器。 图 配置连接图 采集到的轴 陀螺信号是模拟量,需要进行转换。采用 片 采集信号经放大滤泼输入到的号管脚上 的 是转换后的数字信息,连 的 号管脚上。 的驱动时钟信 号由 的号管脚提供,如图所小 取国科技论又在线 图 转换连接图 由于输出信号很微弱,且带有噪声,在采集前需要对其进行放大和滤波,放大电路如图 所示。高速运算放大器 提供前级放大功能,先将信号放大到可以处理的程度, 再经 运算放大器和外围元件一起构成的限幅滤波器整形,最后再经一级髙速运算放 大器 把信号增强到可以采集的稈度。 图滤波放大电路 在系统的运行中,需要进行动态的参数调整和参数配置,以及协作系统的功能。因此还 需要个单片机来完成对整个系统资源的调配和管理,如图所示。系统采用了 司生产的 单片机作为控制器,控制信号由单片机的端口和端口以及 端口发出,输入到 的 号管脚 取国科技论又在线 图逻辑控制连接图 器件的信号采集电路如图所示。 信号经图中的、端了输入,运算 放大器 构成的跟随器对信号进行跟随,输出到 的和号管脚,然后由 对信号进行转换。 图 器件信号采集电路 取国科技论又在线 通过以上电珞可实现对轴 陀螺测量的角速度信号的预处理和解算,获得轴 角度信息。本文系统基于单片机和 开发,体积小、成本低,输出频率为 为 系统设置外接通信模块,就可以实现客种方式的数据传输,例如通过模块可以实现 总线传输,通过无线模块可以实现无线传输等。 为了验证所开发系统的有效性,本文研究采用 模块将测量的角度信息向上位机 传输,通过上位机软件显示测量到的车辆姿态信息。 通信模块的⊥要任务是完成测量 系统和上位机的通信,其最大传输速率为 ,通信距离最远可达 通信电路 采用的芯片是 通信原理如图所示。 通信电路原理图 软件系统设计 基于建立的硬件系统丌发软件,以实现车辆姿态信息的实吋显示和存储。本文项目采用 的开发环境为 软件主要包括标定参数设置、误差补偿参数设置、图像绘制和 数据保存等功能,开发的软件界面如图所示 交丰倾实洲再快 标安系黔设暨#图想票叔置建要杰量释 图姿态测量软件界面 图中,第个图框实时显示经过误差补偿后的轴角速率信号;第个图框显示实时解 算后的车辆的个姿态角。同时,软件还具有数据存储功能,可以将检测的数据存储到硬盘 中,以便进行离线分析和后处理。 姿态测量系统试验 本文开发了基于 陀螺的车辆姿态角测量系统,为了验证系统的精确,进行了系 统姿态测量精度试验。姿态精度试验的具休方法是将所廾发的姿态测量系统安装在一个平台 上,通过工装将该平台安装在标定转台上,然后让转台转动一个固定的角度,记录所开发系 统的姿态角输出值。每次试验重复次,利用次试验的平均值来评价所开发系统的姿态测 量的精度。 在试验中分别先后将姿态测量系统的个轴与转台的转动轴平行,对实际测量的角度值 与转台的实际转动角度值作对比,评价测量系统绕各轴转角的测量精度。表、表和表 分别为侧倾角、俯仰角和横摆角的试验结果。 取国科技论又在线 表侧倾角精度试验结果 ˉ转角。第次第次第次。平均误差 表俯仰角精度试验结果 转角 第次第次第次平均|误差 表航行角精度试验结果 转角 第次第次第次平均误差 从表可以看出,侧倾角的最大测量误差为;从表可以看出,俯仰角的最大测 量误差为 从表可以看出,横摆角的最大测量误差为。所得测量精度能够满足玍 联网应用中车辆姿态测量精度的要求,系统具有体积小、成本低、性能可靠的优点。 结论 本文给出了基于 陀螺的车辆状态角测量的基本原理,以及利用四元数求解姿态 角的算法;开发了采用 陀螺测量车辆状态参数的硬件电路和软件系统。通过测量精 度试验证明」所开发的系统能够满足车联网应用中车辆状态测量的精度要求,所开发的系统 具有体积小、成本低、性能可靠的优点。 参考文献 张国伍智能交通物联网与综合交通信息服务交通运输系统工程与信息 常促宇向勇史美林车载自组网的现状与发展通信学报 肖玲李仁发罗娟车較自组网的仿真研宄综述系统仿真学报 鋅亮李大志李晓莹等基于传感器的微型姿态确定系统硏究传感技术学报

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