采用微機(jī)械傾角傳感器構(gòu)成前端敏感電路，采用數(shù)字信號電路構(gòu)成數(shù)字信號電路。完成了傾角電壓信號的提取、卡爾曼數(shù)字濾波算法、零漂移抑制和全向信號合成，載波可以實(shí)現(xiàn)任意偏航方向(0。~ 360 .)較低的全平方傾角測量。采用卡爾曼數(shù)字濾波算法對傾斜信號進(jìn)行處理，并利用仿真軟件對傾斜信號進(jìn)行降噪和抑制波動。針對系統(tǒng)的零漂移問題，設(shè)計(jì)了一種軟件算法來跟蹤零漂移并消除零誤差。結(jié)果表明，-z和y軸的穩(wěn)定性分別提高了10個(gè)百分點(diǎn)。9倍、5倍和12.75倍，滿足非線性度要求。

0引言

       慣性技術(shù)是利用牛頓經(jīng)典力學(xué)和現(xiàn)代物理原理來測量和控制運(yùn)動物體的姿態(tài)和軌跡的一種應(yīng)用技術(shù)。主要研究內(nèi)容包括慣性表、慣性系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航、慣性制導(dǎo)、慣性測量等。慣性傳感器是制導(dǎo)、導(dǎo)航和武器對準(zhǔn)系統(tǒng)的核心部件。傾角傳感器作為一種可居住性裝置被廣泛應(yīng)用。在軍事上，主要應(yīng)用于高精度車載雷達(dá)自動調(diào)平系統(tǒng)、坦克火控系統(tǒng)等領(lǐng)域。在民用方面，主要用于鉆井勘探、探井、交通軌道測量、大地測量、大壩、地震監(jiān)測等。

       目前，一般采用加速度計(jì)的角度測量方法來測量角度傾斜角度。測量原理是基于對重力方向的靈敏度，在加速度計(jì)的兩個(gè)軸上測量重力加速度度的分量。從角度確定加速度計(jì)的傾斜角。傾角傳感器具有精度高、性能穩(wěn)定、可靠性高、使用方便等特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，需要使用傾角傳感器來保證被測載體在任何方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)都能準(zhǔn)確地傳輸傾角信號。這對船舶姿態(tài)控制和浮標(biāo)控制具有重要意義。

      本文選用兩臺高精度微型機(jī)械(M E M S)單軸傾斜傳感器SCA 103t - d04作為傳感元件，并將其垂直放置。對原始傾角信號進(jìn)行濾波、零漂移抑制處理和全方傾角信號合成，得到全方傾角測量結(jié)果。其中，利用計(jì)算機(jī)軟件對卡爾曼數(shù)字濾波和零跟蹤算法進(jìn)行了研究，并結(jié)合MLB對數(shù)字濾波算法進(jìn)行了仿真。

1結(jié)構(gòu)原理

1.1全方位測量原理

       單軸傾斜傳感器對物體在水平面上沿指定水平軸旋轉(zhuǎn)的傾斜角很敏感。然而，載體的傾斜可以是圍繞水平面(水平0)的任何方位角。~ 360)。因此，需要傳感器能夠檢測到載體在任何偏差角度下的傾斜角，即全方位傾斜度測量]。

       圖1給出了傾斜傳感器與水平線標(biāo)度系統(tǒng)的傾斜角(O-x O- y)與傳感器所在坐標(biāo)系(O-x y)的關(guān)系。從圖1中可以看出，傾角傳感器的水平線旋轉(zhuǎn)軸位于水平線標(biāo)度系統(tǒng)的x - O- y平面內(nèi)，相對于O-x軸的方角為a(0。~ 360);傾角0是傳感器測量的平面法線與z軸之間的夾角，即水平面或載體的0。待測平面的兩軸z、Y與水平面上的投影軸z、Y夾角分別為0、0y，待測平面的法向軸z與待測平面的法向軸z與水平面的夾角為0。同時(shí)，傾角傳感器的輸入基軸感知加速度a (i)， z, Y軸)與基軸傾角0的關(guān)系為

式中 ：g 是基準(zhǔn)軸傾角為時(shí)在基準(zhǔn)軸上重力加速度的分量；g為重力加速度 [7] 。 設(shè)傳感器的兩個(gè)輸人基準(zhǔn)軸分別為z 、Y 方 向 ，輸入基準(zhǔn)軸方向的加速度分別為 a 、n ， 則重力加速度在坐標(biāo) 系 x O y 平 面內(nèi)的分 量 口扣 為

將式 (2 ) 代人加速度和傾角的關(guān)系式可得

圖 1 全方 位傾 角坐標(biāo)示意 圖

       本文使用單片機(jī)對信號進(jìn)行軟件處理。 但對信號進(jìn)行求解正切函數(shù)和反正切函數(shù) ，需要大量內(nèi)存和很高的計(jì)算速度。 因此 ，在實(shí)際使用中一 般使用近似算法。 在0較小時(shí)，待測平面的傾角為

       對于全方位傾角信號的獲得，可按照式 (4 ) 進(jìn)行計(jì)算，即取Y軸傾角信號的平方和平方。

1. 2 系統(tǒng)信號處理結(jié)構(gòu)

       該全方位傾角測量系統(tǒng)包括敏感電路、信號處理電路和輸出電路。該敏感電路由兩個(gè)相互垂直放置的SCA 103t - d04芯片組成，對傾角信號敏感。高精度單軸傾斜傳感器sca103t - d04是芬蘭VTI科技公司研制的一種新型傾斜儀。它采用差分測量原理，采用高度集成的M - E - M - S傳感器技術(shù)。提供液位測量儀表的液位性能。M E M S傳感器以其體積小、重量輕、價(jià)格低、可靠性高、產(chǎn)量大等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。它有2個(gè)模式輸出和1個(gè)數(shù)字SIPI接口，提供直接信號處理。在系統(tǒng)中，z軸和Y軸傾斜信號由兩個(gè)垂直放置在一起的SCA 103t - d04芯片提供，并將X軸和Y軸的差異傾斜信號分為z軸和Y軸，共4種模式的偽傾斜電壓信號，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)A/D采樣和差分運(yùn)算計(jì)算。信號差的優(yōu)點(diǎn)是可以提高產(chǎn)品的靈敏度，顯著降低共模噪聲。使用Y軸的輸出來合成完整的方形傾斜角度信號。

       在數(shù)字電路部分，本文選用了AD公司的aduc812單片機(jī)，這是一種高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。單片機(jī)核心包含一個(gè)8通道12位高精度自校準(zhǔn)ADAC、兩個(gè)12位ADAC和一個(gè)可編程8位(兼容8051)MDAC u。數(shù)字電路完成采樣、濾波、零抑制、全方位角信號合成和高精度D/A轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生全方位角位置和姿態(tài)狀態(tài)角信號。信號處理電路的原始框圖如圖2所示。

2 位濾波和零漂移抑制

       利用單片機(jī)系統(tǒng)對傳感器的敏感信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行卡爾曼濾波處理和零漂抑制處理。

2. 1卡爾曼濾波算法的實(shí)現(xiàn)

       測量后的系統(tǒng)初始傾角信號中含有噪聲信號，導(dǎo)致信號波動，穩(wěn)定性差。為了理解這個(gè)問題，我們采用了數(shù)字濾波方法——卡爾曼濾波。卡爾曼濾波器是一個(gè)基于最小均方誤差準(zhǔn)則的估計(jì)問題，描述了當(dāng)輸入是由白噪聲[5]產(chǎn)生的隨機(jī)信號時(shí)，期望輸出與實(shí)際輸出之間的均方根誤差最小化的線性系統(tǒng)。它是一種基于“預(yù)測一次實(shí)測一次修正”的序列實(shí)時(shí)遞歸計(jì)算方法。假設(shè)隨機(jī)線性色散系統(tǒng)的狀態(tài)方程和測量方程分別為

      式中 ： x (K ) 為系統(tǒng)K時(shí)刻的狀態(tài)矩陣；U (K) 為系統(tǒng)噪聲矩陣；A 、B 為兩個(gè)參數(shù)矩陣； Z (K) 為測量值；H為測量系統(tǒng)參數(shù)矩陣；V (K ) 為觀測噪聲矩陣。卡爾曼濾波的遞推計(jì)算公式如下：

      在本文中，將z和軸的差分信號分離到卡爾曼數(shù)濾波器中。由于濾波是在系統(tǒng)真值未知的情況下進(jìn)行的，最接近的測量值似乎就是原來的系統(tǒng)真值，所以在逼近的過程中，有可能去除噪聲信號，保留原來的基本信號。在評價(jià)濾波效果時(shí)，應(yīng)主要考慮傾斜信號的保真度及其波活度的降低[8]。本文利用MAS T-L AB軟件進(jìn)行仿真分析，在測試過程中，將采樣差分后的原始z軸和Y軸傾斜角信號通過由MAS T-L AB設(shè)計(jì)的卡爾曼濾波器進(jìn)行處理，并對輸出波形及其標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行分析。

      為了驗(yàn)證卡爾曼濾波的處理效果，分別對y軸靜態(tài)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了測試。本文將原始信號與經(jīng)過卡爾曼濾波的信號進(jìn)行比較，得到預(yù)濾波和后濾波的信號。z軸和Y軸的數(shù)據(jù)對比曲線如圖3和圖4所示。表1給出了原始數(shù)據(jù)與卡爾曼濾波方法的標(biāo)準(zhǔn)差比較。

圖 3 z 軸濾波前后輸出數(shù)據(jù)比較

圖4 y軸濾波器輸出數(shù)據(jù)前后對比 

      由圖3和圖4可以看出，經(jīng)過濾波后，系統(tǒng)的隨機(jī)噪聲明顯降低，輸出信號的保真度和穩(wěn)定性明顯提高，y軸的穩(wěn)定性分別提高了10。95次和12..七次，五次。

2. 2零漂移抑制設(shè)計(jì)

sca103t - d04單軸傾斜傳感器在工作過程中存在時(shí)間漂移和溫度漂移，會影響傾斜角檢測系統(tǒng)的零輸出。在實(shí)際焊接電路的過程中，會出現(xiàn)安裝誤差，并且會輸出陰影傾斜角檢測系統(tǒng)的零位置。利用零位漂移抑制思維軟件對針對系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。包括卡爾曼濾波算法和零位漂移抑制在內(nèi)的軟件流程圖如圖5所示。

4 總結(jié)

      介紹了全方形傾角傳感器的靈敏度原理和系統(tǒng)信號處理技術(shù)。傾角測量系統(tǒng)的敏感元件選用微機(jī)械式傾斜傳感器SCA103T-D04，信號處理部分由ADUC812芯片隔開。采用卡爾曼濾波算法降低傾角信號中的噪聲，提高傾角信號的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，z軸和Y軸的穩(wěn)定性提高了10%。9 5乘以12。七十五次;為了消除零點(diǎn)誤差，滿足傳感器非線性的要求，提高全方傾角傳感器測量系統(tǒng)的精度和可靠性，設(shè)計(jì)了零漂移抑制軟件算法。

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