基于陀螺儀的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器

石　煒，朱光宇

(福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建福州　350108)

0　引言

文中設(shè)計(jì)了一種基于L3G4200D陀螺儀和C8051F040單片機(jī)的非接觸式角度傳感器，能夠以CAN協(xié)議格式輸出方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度和角度。當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角度大于一周時(shí)，也可準(zhǔn)確得到方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。文中設(shè)計(jì)的傳感器實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，具有體積小、精度合理、成本較低、可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)。

1　系統(tǒng)的測(cè)量原理

根據(jù)陀螺儀傳感器對(duì)平動(dòng)加速度不敏感，只對(duì)敏感軸上角速度敏感這一特點(diǎn)，可知陀螺儀的直接輸出值是相對(duì)敏感軸的角速度。文中設(shè)計(jì)了一種以陀螺儀傳感器作為核心測(cè)角元件的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角測(cè)量方法，測(cè)量結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　測(cè)量結(jié)構(gòu)示意圖

在轉(zhuǎn)動(dòng)部件和PCB板上分別設(shè)置第一、第二陀螺儀傳感器，兩片陀螺儀的敏感軸均平行于方向盤(pán)轉(zhuǎn)軸的軸線。轉(zhuǎn)動(dòng)部件跟隨方向盤(pán)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，該轉(zhuǎn)動(dòng)部件還與時(shí)鐘彈簧轉(zhuǎn)子固定連接，時(shí)鐘彈簧定子和PCB板均設(shè)在傳感器外殼上，所述外殼固定于機(jī)動(dòng)車(chē)體上。

利用時(shí)鐘彈簧的轉(zhuǎn)子出線端與定子出線端電氣連接的特性，將第一陀螺儀的各輸入輸出線路與時(shí)鐘彈簧的轉(zhuǎn)子出線端電氣連接，將PCB板與時(shí)鐘彈簧的定子出線端電氣連接，從而實(shí)現(xiàn)第一陀螺儀的各輸入輸出線路與PCB板的電氣連接。

如圖2所示，機(jī)動(dòng)車(chē)行駛在平面L上時(shí)，方向盤(pán)轉(zhuǎn)軸與平面L所成角度為α，平面K是垂直于方向盤(pán)轉(zhuǎn)軸的一個(gè)平面。當(dāng)車(chē)輛發(fā)生轉(zhuǎn)向時(shí)，平面L上機(jī)動(dòng)車(chē)自身具有的偏航率v在平面K上的投影即對(duì)方向盤(pán)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的角速度ω2i=v·sinα．

圖2　偏航率投影示意圖

因?yàn)榈谝?、第二陀螺儀的敏感軸均和方向盤(pán)轉(zhuǎn)軸的軸線平行，所以第一陀螺儀測(cè)量的是平面K上方向盤(pán)轉(zhuǎn)軸相對(duì)于地面的角速度ω1i，第二陀螺儀測(cè)量的是車(chē)身偏航率在平面K上的投影角速度ω2i，于是可以得到：

翻譯所賴以生存的外部文化背景，同樣影響著翻譯實(shí)踐，制約甚至操縱著譯者的具體翻譯行為。作為文化的載體，不同的語(yǔ)言映射并承載著不同的文化內(nèi)涵。文學(xué)翻譯實(shí)踐中，譯者如果對(duì)原文本的文化背景了解不夠，某種程度上忽略了文化差異,對(duì)原文的理解便會(huì)依賴或局限于自己所處的文化氛圍，就會(huì)導(dǎo)致偏差，出現(xiàn)誤譯。例如：

ωi=ω1i-ω2i

式中：ωi為平面K上方向盤(pán)轉(zhuǎn)軸相對(duì)車(chē)身的角速度。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，角度等于角速度在時(shí)間上的積分，對(duì)ωi進(jìn)行時(shí)域積分運(yùn)算即可得到方向盤(pán)轉(zhuǎn)角θ．在數(shù)字系統(tǒng)中，其離散型方程如下：

式中：θ0為初始角度；ωi為角速度；Δti表示采樣數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔。

2　系統(tǒng)組成與硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)主要由陀螺儀信號(hào)采集模塊、單片機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊、霍爾角度校正模塊和CAN總線發(fā)送模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)框圖

選用C8051F040單片機(jī)作為系統(tǒng)的微處理器，該芯片帶有64個(gè)數(shù)字I/O引腳，可以對(duì)外部器件進(jìn)行邏輯控制，片內(nèi)集成CAN2．0B控制器和Flash存儲(chǔ)器[3]；選用L3G4200D作為陀螺儀傳感器，該器件是一款三軸數(shù)字陀螺儀，量程最大可達(dá)±2 000 dps，提供一個(gè)16位數(shù)據(jù)輸出，以及可配置的低通和高通濾波器等嵌入式數(shù)字功能，即使時(shí)間推移或溫度變化，這該器件仍能保持連續(xù)穩(wěn)定的輸出[4]。

2．1I2C接口電路

L3G4200D的通信接口兼容SPI或I2C接口。文中采用C8051F040微處理器與2片L3G4200D通過(guò)I2C(半雙工模式)協(xié)議通信，完成數(shù)據(jù)傳輸。

如圖4所示的I2C接口電路中，C8051F040為主器件，L3G4200D為從器件，L3G4200D的從地址由SDO引腳的輸入決定，SDO接高電平時(shí)，從地址為1101001b；SDO接低電平時(shí)，從地址為1101000b。因此在同一I2C總線中允許同時(shí)連接兩個(gè)L3G4200D而不發(fā)生地址沖突。

圖4　I2C接口電路圖

2．2CAN總線接口電路

文中選用CTM1050收發(fā)器，CTM1050是集成電源隔離、電氣隔離、CAN收發(fā)器、CAN總線保護(hù)于一體的隔離CAN收發(fā)器模塊，該模塊TXD、RXD與CAN控制器發(fā)送、接收引腳直接連接，不需要外接其他元器件[5]。圖5為CTM1050與C8051F040連接原理圖，C8051F040的CANTX和CANRX分別為報(bào)文輸出和輸入端，經(jīng)過(guò)總線收發(fā)器CTM1050連接到CAN總線上。

圖5　CAN收發(fā)器電路圖

2．3角度校正模塊

根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)，誤差主要來(lái)源于對(duì)角速度積分的不精確。同時(shí)，采樣頻率越快，積分時(shí)間間隔越小，測(cè)量精度越高。由于這種誤差會(huì)隨著時(shí)間逐漸累積，文中設(shè)計(jì)了角度校正功能，保證了角度值的長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量精度。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6所示，在轉(zhuǎn)動(dòng)部件上設(shè)置永磁體，在PCB板上設(shè)置由永磁體觸發(fā)的霍爾開(kāi)關(guān)器件，每當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)到校正點(diǎn)位置都會(huì)發(fā)生角度校正，該校正點(diǎn)對(duì)應(yīng)于，當(dāng)方向盤(pán)位置回正時(shí)，永磁體觸發(fā)霍爾器件，此時(shí)霍爾器件輸出的電信號(hào)發(fā)生跳變，通知微處理器校正角度值。

圖6　角度校正模塊結(jié)構(gòu)圖

規(guī)定方向盤(pán)旋轉(zhuǎn)軸的回正位置為轉(zhuǎn)角的零點(diǎn)，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為負(fù)，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角范圍-780°<θ<+780°。發(fā)生校正時(shí)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角θ的正確值可能為0°、±360°、±720°，設(shè)計(jì)如下校正方法：

發(fā)生角度校正時(shí)，若-90°<θ<+90°，則θ重置為0°；若+270°<θ<+450°，則θ重置為+360°；若-450°<θ<-270°，則θ重置為-360°；若θ>+630°，則θ重置為+720°；若θ<-630°，則θ重置為-720°。只需滿足當(dāng)發(fā)生角度校正時(shí)角度誤差小于±90°，該校正方法有效。

2．4掉電存儲(chǔ)模塊

文中設(shè)計(jì)的測(cè)角方法屬于相對(duì)角度測(cè)量而不是絕對(duì)角度測(cè)量，即傳感器掉電再重新上電后無(wú)法得知方向盤(pán)的初始轉(zhuǎn)向角度。為了解決這一問(wèn)題，采用方案為：在PCB板上設(shè)置掉電保護(hù)電路，當(dāng)?shù)綦姳Ｗo(hù)電路檢測(cè)到主電源即將掉電(即電源電壓下跌)時(shí)，掉電保護(hù)電路將電源切換到備用電池供電，并向微處理器發(fā)送掉電信號(hào)，微處理器收到掉電信號(hào)后進(jìn)入掉電工作狀態(tài)，將轉(zhuǎn)角值保存到微處理器自帶的FLASH存儲(chǔ)器中，這樣傳感器重新上電后讀取掉電前存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)角值即為當(dāng)前初始轉(zhuǎn)向角度。

3　軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)主要分為4部分：I2C接口的數(shù)據(jù)采集程序、角度算法程序、外部中斷處理程序和CAN總線發(fā)送程序。系統(tǒng)工作在連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)量狀態(tài)下，初始化結(jié)束后，處理器首先讀取FLASH中存儲(chǔ)的初始角度值，隨后處理器分別采集兩片L3G4200D的角速度信號(hào)，對(duì)角速度信號(hào)進(jìn)行處理，求得角度值并發(fā)送到CAN總線上，一次完整的測(cè)角過(guò)程完成。程序執(zhí)行過(guò)程中有中斷響應(yīng)發(fā)生時(shí)，進(jìn)入相應(yīng)的中斷處理程序。軟件處理流程圖如圖7所示。

圖7系統(tǒng)軟件流程圖

4　實(shí)驗(yàn)分析

轉(zhuǎn)角對(duì)比實(shí)驗(yàn)以型號(hào)為L(zhǎng)WS3的轉(zhuǎn)角傳感器作為角度基準(zhǔn)。將LWS3轉(zhuǎn)角傳感器與設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)角傳感器固定在同一根旋轉(zhuǎn)軸上，由上位機(jī)分別接收兩個(gè)轉(zhuǎn)角傳感器輸出的角度值。當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)一定角度時(shí)，記錄LWS3轉(zhuǎn)角傳感器輸出的基準(zhǔn)角度值和設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)角傳感器輸出的實(shí)測(cè)角度值，并計(jì)算實(shí)測(cè)角度的線性度。為了充分考察傳感器小角度和大角度測(cè)量的精度，試驗(yàn)在0～90°之間每間隔30°取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)；在90～360°之間每間隔90°取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)；在360～720°之間每隔180°取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)。關(guān)閉霍爾角度校正模塊的條件下，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示；開(kāi)啟霍爾角度校正模塊的條件下，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1　關(guān)角度校正對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

表2　開(kāi)角度校正對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表1和表2的結(jié)果可以看出，開(kāi)啟霍爾角度校正模塊后，角度數(shù)據(jù)的線性度和測(cè)量可靠性都比開(kāi)啟前有了明顯提高，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果較好。文中沒(méi)有對(duì)采集的角速度信號(hào)進(jìn)行濾波和數(shù)據(jù)的融合，若進(jìn)一步做好濾波和融合的處理，測(cè)量精度可進(jìn)一步提高。

5　結(jié)束語(yǔ)

文中提出了一種基于陀螺儀傳感器的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角測(cè)量方法，并給出了設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)角傳感器的軟件和硬件的具體實(shí)現(xiàn)方法。該轉(zhuǎn)角傳感器測(cè)量方法簡(jiǎn)便，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬于非接觸式測(cè)量。經(jīng)調(diào)試，其性能穩(wěn)定，工作可靠，能通過(guò)CAN總線接口輸出數(shù)據(jù)，并且還可擴(kuò)展各種總線接口完成通信，具有更佳的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)：

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