基于三轴加速度计的倾斜角传感器的研究与设计

来源：本站整理作者：佚名 2010-06-20 10:44:00

0 引言
    在很多运用场合，都必须弄清楚装备对于重力场是水平的还是垂直的，与水平面呈多大角度。在许多国家有这样的规定，升降机和起重机上都必须要有倾斜监控。对于倾斜监控在人类交通工具上尤为重要。离轨列车需要倾斜信息来避免事故发生，或保持某些重要部件在某一确定角度。一些交通工具，例如自倾斜火车需要倾斜角来补偿离心力。有时需要用倾斜计来保持平台的水平，或者一定角度，倾斜角传感器的研究极为重要。传感器的微型化、智能化已成为传感器发展的趋势，基于MEMS技术的全固态微传感器的研究已成为传感器研究的一个重要方面，实际应用中的倾斜角传感器包括，液态倾斜角传感器，气体倾斜角传感器，固态倾斜角传感器，光学倾斜角传感器，与液态倾斜角传感器相比，固态倾斜角传感器具有结构简单，可重复性强，反应快的优点，与光学倾斜角传感器相比，固态倾斜角传感器具有适应性强，价格便宜的优势。
    由加速度传感器测量倾斜角的途径很多，文献中提出了一种基于两轴加速度传感器ADXL213的倾角测量装置，实现了全摆幅高精度测量，并能在运动车辆中抵消前进方向加速度，实现运动中单方向高精度测量。文献中同样运用两轴压力传感器实现单方向全摆幅倾角测量文献。文献中运用两轴加速度传感器ADXL202实现了全方位，45°摆幅内低误差倾斜角测量。文献中运用液态两轴倾斜角传感器实现全方位、低摆幅、高精度倾斜角传感器。单轴加速度传感器只能实现单方向，低摆幅倾斜角测量，两轴倾斜角传感器，方向和摆幅不能兼顾。本文将讨论采用三轴微加速度传感器实现智能化倾斜角传感器方法。

l 倾斜角测量原理
    对于轴加速度传感器，当它的传感方向和重力加速度方向一致时，假如此时为零倾斜角度，设加速度传感器测量结果为F(θ)，θ为倾斜角度，g为重力加速度，如图l所示。

    所以当倾斜角θ太小时，测量的分辨率就会太小，当角度足够大时精度才会上升。所以对一轴倾斜角传感器的运用是：把它的传感方向与重力加速度方向垂直时的状态设为零倾斜角度，文献运用此方法测量倾斜角，如图2所示，此时：

    此时倾斜角度小时测量精度高，而对于一轴加速度传感器而言，只能测一个方向的倾斜角。所以用一个两轴加速度传感器，两个传感方向皆垂直于重力加速度，当两轴倾斜角倾斜时，加速度传感器测量结果为：

    如何利用θx，θy求出倾斜角θ。首先定义两组三轴向量：[x，y，z]为参考O倾斜向量，[u，v，r]为倾斜后的向量。如图3所示，设向量[z，y，z]先绕y轴倾斜，再绕x轴倾斜，所以从[x，y，z]到[u，v，r]的转换为：

    设x,y为水平方向，z为垂直方向。（x，y，z）=（0，0，1）于是便有：


     此时u=kF(θx)=kgsinθx,v=kF(θy)=kgsinθy，所以：

     而传感器实际倾斜角为：

    所以只要得出两轴加速度传感器测量结果F(θx)和F(θy)就可以计算出θx和θy，进而知道总的倾斜度。