0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

如何用加速度计提高倾角测量精度(含详细计算过程)

模拟对话 2018-03-15 17:16 次阅读

倾角测量的典型应用

本文旨在探讨如何用组合器件一类的加速度计提高倾角测量的精度。在乘用车上,电动驻车制动器(EPB)被用于使汽车在平坦的分级道路上保持静止。这是通过用一个单轴或双轴加速度计测量倾角来实现的。一般做法是将一个X轴/Y轴或Z轴低g加速度计装在EPB控制单元中一个专门的模块中。现在,越来越多的汽车配有ESC(电子稳定控制)功能,在单个芯片中集成了组合式低g加速度计和陀螺仪。这样做是为了防止汽车侧滑和翻车;如今,ESC功能已经成为世界各国或地区法律的强制要求。如果通过组合器件(单芯片、组合式加速度计和陀螺仪)实现倾角测量,则不必在车上安装一个独立的EPB模块,结果可以大幅降低汽车的成本。由于组合器件通常用于ESC,所以并未针对倾角检测优化,并且通过组合器件测量倾角时,测量精度有时无法达到要求。由于组合器件是XY轴或XYZ轴,所以通常用X轴进行倾角测量,EPB模块中的部分传统型低-g加速度计使用的是Z轴,因为它是垂直安装在发动机舱里的。检测轴应该与重力垂直,才能取得更高的精度——我们稍后会讨论这一点。

Figure 1

图1. X轴和Z轴加速度计的安装示意图。

对于汽车中的倾角测量,评估精度是非常重要的。不妨想像,您的车停在绝对平坦的地面,因此,加速度计计算的倾角应该是0°。如果您的车停在斜坡上,就应该精确地检测出倾角,以便正确地激活刹车系统。

Figure 2图2. X轴检测倾角测量示意图。Equation 1

因此

Equation 2

其中:

AOUT为加速度计的输出,单位为g。

θ 为斜坡的倾角,单位为度。

Figure 3图3. sin θ对θ随θ增大而下降的灵敏度。

由于sin θ是一个非线性函数,所以,AOUT与θ之间的关系是非线性 的,在接近零时其线性度处于最佳状态,即其此时具有最佳的测量精度。随着θ的增大,测量精度下降。这正是检测轴应与重力垂直的原因,因为道路坡度将接近零

对于汽车倾角测量,不必在全斜坡坡度的条件下考虑系统。现实世界中,道路上的绝大多数斜坡坡度不会超过30°。我们只需要分析在±30°的范围内分析贡献因素的精度即可。

影响系统级测量精度的贡献因素有多个:

灵敏度误差和初始绝对失调

非线性度

与初始绝对失调的总失调变化

噪声

灵敏度误差和初始绝对失调

灵敏度误差

灵敏度是对输入-输出测得的传递函数的斜率,通常为+1g和–1g。灵敏度误差为器件间的灵敏度偏差。例如,有些加速度计的最大灵敏度为3%。

Figure 4图4. 输入-输出加速度灵敏度误差。

初始绝对失调

范围内的失调约为25°C;例如,在模块制造完成后立即测量的值为25°C ± 5°C。初始绝对失调表示大量器件的实测偏移值的标准差。

两点校准

对于倾角测量应用,两个主要的误差来自失调误差和灵敏度误差。这两种误差会导致不可接受的检测结果,因此不得忽略。如果我们希望消除这些部分误差,则应对加速度输出进行校准。一般地,要对倾角测量的失调和灵敏度进行一次校准。若要考虑失调和灵敏度误差,则加速度计输入与输出的关系为:

Equation 3

其中:

A输出为失调误差,单位为g。
增益为加速度计的增益,理想值为1。
A实际为施加于加速度计的实际加速度,单位为g。

有两种基本校准技术;其中一种是单点校准。这种校准的具体做法是在加速度计上施加一个0g场,然后测量输出。这类校准只能用于校准失调误差,不能校准增益误差。然后,从实际输出值中减去0g场里的输出结果,消除失调误差。这种校准方法非常简单,但精度不足,因为仍然存在灵敏度误差。另一种方法是1g翻转校准,在+1g和–1g时采用两点校准,并在每个+1g和–1g场内按照以下公式测量加速度输出:

Equation 4

其中,失调A失调的单位为g。

以这两点信息为基础,可以按照以下方法解出失调和增益:

Equation 5

其中,+1g和 1g测量值、A+1g和A–1g均以g为单位。

经过这一次校准以后,可以用该等式计算实际加速度,每次都会消除失调误差和灵敏度误差。

Equation 6

其中,A失调和A输出以g为单位。

非线性度

器件的非线性度为测得加速度(AMEA)与理想线性输出加速度(AFIT)之间的最大偏差。加速度测量数据集应包括加速度计的满量程范围。其测量方式为Max(|AMEA – AFIT|)。

Figure 5图5. 器件非线性度。

其中:
AMEA为给定gn下的测得加速度。
AFIT为给定gn下的预测加速度。

多数加速度计或组合器件在给定输入加速度计范围内均存在非线性——例如,30 mg ± 2g的范围。对于倾角测量应用,输入坡道斜率在±30°以内,这意味着输出加速度范围在±500 mg (±1g× sin 30°)以内,所以应重新评估该范围内的非线性度。由于非线性度在整个输入范围内是非线性的,所以,很难准确地量化评估这部分误差。然而,由于该器件的数据手册通常都很保守,线性度为30 mg,输入范围为±2g,用10 mg计算±500 mg范围内的误差更合理些。

与初始绝对失调的总失调变化

与初始绝对失调的总失调变化为温度、应力和老化效应导致的失调的最大偏差。该偏差是相对于给定器件的初始绝对失调进行测量的。这是精度总误差的主要贡献因素。

在温度、应力、老化等所有这些因素中,变化与温度在总失调变化中占比很大。一般地,变化与温度曲线是二阶曲线,通常为旋转抛物线。为了消除这部分误差,可以在系统级执行三点校准。对于给定器件,可按下列步骤校准输出失调随温度的变化值。

第1步:

使器件的输出响应以某个∆N0值偏移。温度校准流程的第一步是 消除环境温度下的失调。

Figure 6图6. 第1步:消除环境温度下的失调。Figure 7图7. 第2步:在消除环境温度下的失调之后。

第2步:

接下来,在高温下测试器件,用获得的新信息生成失调校正线性公式。

Figure 8图8. 第3步:消除高温下的抛物线旋转分量。Figure 9图9. 第4步:在消除高温下的抛物线旋转分量之后。

第3步:

给现有公式添加一个二阶分量,校正失调剩余部分。设二阶曲线遵循以下公式:

Equation 7

这是二阶抛物线公式,已经通过第1步和第2步消除了旋转分量。

在该公式中,该二阶抛物线有三个解:

Equation 8

然后,我们可以得到温度系数 a, b, c.

Figure 10图10. 第5步:添加二阶分量,消除剩余失调。

有关∆N0,∆N1, ∆N2, a, b, c 的所有温度系数信息应该存储在系统非易失性存储器中,同时需要一个板载温度传感器。系统会在每次上电后例行校准加速度计,确保消除失调随温度的变化值。

噪声

基于单个数据样本测量倾角不一定可靠。即使加速度计的噪声为零,倾角测量也是在汽车启动时测量的,所以,需要减小发动机、过往车辆或乘客在车上来回移动导致的任何振动。最好的办法是在不降至最低数据速率要求的条件下,在尽量长的时间内做数据平均。数据平均算法会减少rms噪声。

假如我们对噪声采样,结果可得到每个样本的方差

Equation 9

求一个随机变量的均值,获得以下方差,

Equation 10

由于噪声方差保持于σ2不变,

Equation 11

以上推导显示,对同一未校正噪声的n次实现求均值可使噪声功率减少n倍,并使rms噪声减少√n。

由于随机噪声受高斯分布影响,所以,rms噪声等于高斯分布的标准差。6σ以内的最小分布为97%。

例如,如果以1 kSPS的采样率对每100 ms的数据求均值,则最大rms噪声 = 0.4 mg,即是说如果以6σ作为与平均值的距离,则此时的峰值噪声仅为2.4 mg。

用于与rms值相乘的因数取决于器件要执行的任务的统计需求。例如,如果选择6作为因数(峰峰值噪声为6 × RMS_Noise),则算法在器件生命周期内要运行的次数会影响超过最差情况6 × RMS_Noise 的概率。可总结如下:

Equation 12

E为在生命周期内超过最差情况的预期次数,M为生命周期内的运行次数,r为超过最差情况的概率。基于此,我们可以通过乘以rms噪声评估出一个合理的因数。

小结

ADI公司ADXC1500/ADXC1501(组合式陀螺仪和2轴/3轴加速度 计)为例,所有误差贡献项均列于表1中,包括校准和不校准两种情况。我们可以假设,总失调变化为二次曲线,并且其在温度范围内的变化占总失调变化的80%。另外,以6为因数乘以最大rms噪声。

一个陀螺仪和一个三轴加速度计的单芯片集成方案可以实现多种新型应用,尤其是在汽车安全系统和工业自动化应用领域。为了设计更加可靠、高精度的汽车安全系统,例如,稳定的电子控制系统(ESC)和侧翻检测系统,尽量减少系统误差至关重要。汽车中已安装这些传统型底盘控制系统,包括防抱死制动系统、牵引控制和偏航控制系统。

表1. 校准前后的误差贡献

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 陀螺仪
    +关注

    关注

    44

    文章

    724

    浏览量

    97600
  • 加速度计
    +关注

    关注

    6

    文章

    658

    浏览量

    45368
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    ADXL1001加速度计没有输出的原因?

    近期在使用ADXL1001加速度计时出现问题,具体表现为供电电压为5V时加速度计没有输出电压,所以我们无法判断是加速度计本身有问题,还是我们电路设计有问题,电路原理图如图所示,电源为15V,经
    发表于 12-29 07:05

    两轴加速度计和三轴加速度计的使用区别?

    有个问题请教一下:在静态测量的情况下,两轴的加速度计在测得X、Y轴上的加速度后,是不是就可以根据这两个值和重力加速度g算出Z轴方向的加速度
    发表于 12-29 06:06

    mems加速度计的量程是指什么

    Mems加速度计(Micro Electro Mechanical Systems Accelerometer)是一种微型化的加速度传感器,可以测量物体在三个轴向上的加速度,并且广泛地
    的头像 发表于 12-15 10:21 473次阅读

    进口高可靠性加速度计分类

    加速度计分类,有分机械式和电子式,其中机械加速度器(MEMS)是基于弹簧的应变与运动幅度和频率的特性来实现测量
    发表于 12-11 17:10 0次下载

    使用加速度计提高倾角测量精度

    电子发烧友网站提供《使用加速度计提高倾角测量精度.pdf》资料免费下载
    发表于 11-23 09:23 0次下载
    使用<b class='flag-5'>加速度计提高</b><b class='flag-5'>倾角</b><b class='flag-5'>测量</b><b class='flag-5'>精度</b>

    如何利用3轴加速度计计算Z方向的角度?

    现在想利用3轴加速度计计算Z方向的角度,但是网上都说需要磁力计,请教有没有一位大神知道在没有磁力计的情况下如何计算Z方向角度
    发表于 10-30 07:05

    加速度测量原理是什么,如何提高测量精度

    加速度测量原理是什么?如何提高测量精度
    发表于 10-16 06:18

    一种低g三轴加速度计的倾斜检测理论和倾斜角测量方法

    该应用笔记介绍了一种低g三轴加速度计的倾斜检测理论和倾斜角测量方法。一般来说,这里描述的程序也可以应用于三轴模拟或数字加速度计,这取决于它们各自的规格。
    发表于 09-13 07:11

    如何为水下泵监测选择理想的加速度计

    水下泵监测理想的加速度计关键标准配备水下泵时,需要从加速度计制造商处了解的关键标准是该传感器是否满足以下标准:密封加速度计在水下应用中,强烈建议使用密封加速度计。这些
    的头像 发表于 08-14 09:46 390次阅读
    如何为水下泵监测选择理想的<b class='flag-5'>加速度计</b>

    关于LIS2HH12TR读加速度计的问题求解

    会造成一定的温飘,温飘也会导致加速度值的变化; 3。角度是怎样计算的?最好是从加速度计的原始数据着手分析,看看测试过程中,什么数据发生了变化。
    发表于 08-07 14:45

    使用低g三轴加速度计测量倾斜度

    电子发烧友网站提供《使用低g三轴加速度计测量倾斜度.pdf》资料免费下载
    发表于 07-31 10:16 0次下载
    使用低g三轴<b class='flag-5'>加速度计</b><b class='flag-5'>测量</b>倾斜度

    MSA300D 三轴微加速度计产品参数

    MSA300D微加速度计芯片外形尺寸小(6×6×1.9mm³)、重量轻,采用单芯片三轴集成的形式,提高了产品的集成度。
    发表于 06-11 10:38 207次阅读
    MSA300D 三轴微<b class='flag-5'>加速度计</b>产品参数

    4602-030-240加速度计怎么选择?

    4602-030-240加速度计适合动态和静态测量,4602加速度传感器测量量程从±2g到±500g。优异的温度性能,温度补偿范围从-55℃到+125℃。4602
    的头像 发表于 05-12 15:01 214次阅读
    4602-030-240<b class='flag-5'>加速度计</b>怎么选择?

    NHS3100SENSORDB加速度计原始数据如何提取?

    ,我可以记录温度、湿度,并感知一些倾斜信息。 然而,这并不是我所期望的。我想测量用于测量俯仰角和滚动角的加速度计的输出。有没有一种方法可以让我使用 JTAG(LPC-Link 2)与电路板通信,在
    发表于 05-06 06:20

    什么是防水加速度计

    美格信在常规IEPE型加速度计基础上,按照100深度IP68级标准要求,研制出型号为ACC 1826单轴防水加速度计与ACC 1836三轴防水加速度计,两款型号为传感器和线缆一体式结构,通过了IP
    的头像 发表于 04-27 15:11 467次阅读
    什么是防水<b class='flag-5'>加速度计</b>