一文详解加速度传感器检测物体倾角的原理

2021-12-15 00:11分类：传感器阅读：

检物件倾斜角的一种常见办法是对手机陀螺仪輸出的角速度开展積分。尽管这个方式直接了当，但偏差会伴随着積分時间的提高而迅速积累。在一些使用中，若全部时间段内物件健身运动迟缓（忽视惯性力矩等要素的危害，物件只受作用力功效），那麼还可以应用加速度传感器来精确测量物件的偏斜视角。该办法运用作用力矢量素材以及在加速度传感器轴上的投射来明确歪斜视角。

以二轮均衡小轿车（倒立摆实体模型）为例子，当检验到倾斜角存有时要操纵小轿车以一定的瞬时速度健身运动，才可以保持均衡而不会倒地。因而倾斜角的精确测量变成操纵小轿车站立的重要。而在具体小轿车健身运动全过程中，因为小轿车自身的健身运动所造成的瞬时速度会造成非常大的电磁干扰累加在以上精确测量数据信号上，促使輸出数据信号没法确切体现车模的倾斜角（加速度传感器輸出值除开重力加速的一部分也有可能会将小轿车前行的瞬时速度也包括以内，造成无法分辨哪一部分是重力加速）。

小轿车健身运动发生的瞬时速度促使输出电压在具体倾斜角工作电压周边起伏，尽管还可以根据数据信息光滑过滤将其滤掉。可是光滑过滤也会促使数据信号没法即时体现小轿车倾斜角的转变，进而缓减针对车轱辘的操纵，促使小轿车没法保持稳定，这类状况就必须相结合应用手机陀螺仪来精确测量。而在别的规定不太高的情形下则能够对初始瞬时速度数据信号做好解决，清除数据信号中的高频率成份，因而一定程度上的沟通交流份量也是还可以进行的。

在应用惯性力感应器检验物件健身运动姿势时，最直接的念头是根据瞬时速度感应器立即精确测量视角，根据手机陀螺仪精确测量角速度，但实际上应用中因为感应器自身的性能会出现许多影响。

常见的处理方法是融合加速度传感器和手机陀螺仪分别的优点开展相辅相成过滤（手机陀螺仪：动态性特点好，积分计算姿势有积累偏差；加速度传感器：动态性回应差，但沒有积累偏差）。他们在时域上特点相辅相成，能够选用相辅相成过滤提升测量精度和系统软件的信息特性。另一种普遍的办法是选用卡尔曼滤波。

应用双轴数据信息测算倾斜角

如下图所显示，假定X轴上测出的瞬时速度数值ax，则倾斜角α的数值：α = arcsin（ax/g）。假如倾斜角只在较小的范畴内转变，则能够应用类似公式计算sinα≈α，因此α ≈ k·（ax/g），比例系数k用以倾斜角的线形数值积分。

X轴偏向转动360°，ax读值将在-1g~1g转变。从曲线图还可以看得出，在贴近±90°的地方处，輸出值敏感度很低（一样视角转变导致的读值更改较小），而在0°周边敏感度最大。此外还可以看得出正弦曲线在［0° 45°］，［135° 225°］和［315° 360°］的线性不错。

应用双轴数据信息精确测量倾斜角除开敏感度难题外，另一个限定是仅应用双轴数据信息不能开展360°的精确测量。由于在倾斜角N°时加速度传感器的读值与倾斜角180°？N°时的瞬时速度读值同样。

应用两轴数据信息测算倾斜角

如下图所显示，瞬时速度感应器在X-Y平面图旋转，因为X轴与Y轴正交和，X轴检验到重力加速的正弦函数份量，Y轴检验到重力加速的余弦份量。转动时伴随着一条轴的敏感度降低，另一条轴的敏感度可能升高。

这时候倾斜角能够利用测算X轴和Y轴比率的反正切来获得：

假如操作数ax/ay为恰逢，反正切函数会回到第一象限中的值；假如操作数为负数，则反正切函数会回到第四象限中的值（规范反正切函数atan的值域是-90°~90°，也就是它只解决第一、四象限）。而根据应用C语言标准库中的另一个反正切函数atan2（ax ， ay），能够测算出起点至点（ax，ay）的方向角，能够解释为单数ax ayi的辐角，取值范围为（-180°，180°］。因而，提升一个轴的益处之一是，可以区别每个象限并在全部360°范畴内精确测量倾斜角。

应用两轴数据信息测算倾斜角的另一个优点是：与双轴解决方法不一样，提升一个轴后，即便第三个轴上存有歪斜，还可以测到精准值。根据下面的图来完成表明：假如XY平面图并不是严谨的平行线于重力方向，而存有一个较小的误差角β（β角没法精确测到），这时第三根轴即Z轴将承担一部分作用力的作用力。假如仅仅用双轴数据信息来精确测量，则依据公式计算有α = arcsin（ax/（g·cosβ）），β较钟头cosβ贴近1。从而看得出，仅仅用双轴数据信息会导致一定的偏差。假如应用X和Y轴的数据信息，根据反正切去求α，则能够清除误差角β的危害。