有關(guān)于加速度計(jì)在動(dòng)態(tài)角度測(cè)量方面的應(yīng)用

昝鷺鷥+肖長(zhǎng)天+劉超峰+胡繼煌

摘 要：角度的測(cè)量應(yīng)經(jīng)應(yīng)用到很多方面。例如：無(wú)人機(jī)（植保機(jī)，穿越機(jī)等），農(nóng)業(yè)機(jī)械，輪船，汽車，自動(dòng)售貨機(jī)，機(jī)器人，太陽(yáng)能電站。也就是說(shuō)角度的測(cè)量對(duì)于我們的生活還是科研都有應(yīng)用，同時(shí)也體現(xiàn)出角度測(cè)量的重要性?，F(xiàn)在工業(yè)上測(cè)量角度的儀器有電子羅盤，NAL24R激光水準(zhǔn)儀，DSO3高精度水準(zhǔn)儀等?，F(xiàn)在我為大家提供一個(gè)簡(jiǎn)單，便宜的方法，那就是使用加速度計(jì)ADXL345+水銀開(kāi)關(guān)測(cè)量角度的方法。

關(guān)鍵詞：角度測(cè)量；加速度計(jì)；水銀開(kāi)關(guān)

ADXL345是ADI公司于2008年推出的采用MEMS技術(shù)具有SPI和I2C數(shù)字輸出功能的三軸加速度計(jì)，具有小巧輕薄、超低功耗、可變量程、高分辨率等特點(diǎn)：它只有3 mm×5 mm×1 mm的外形尺寸，面大小相當(dāng)于小拇指指甲蓋的1/3；在典型電壓VS=2.5 V時(shí)功耗電流約為25～130μA，比先期采用模擬輸出的產(chǎn)品ADXL330功耗典型值低了約70～175μA；最大量程可達(dá)±16 g，另可選擇±2、±4、±8 g量程，可采用固定的4 mg/LSB分辨率模式，該分辨率可測(cè)得0.25的傾角變化[1]。

ADXL345提供一些特殊的運(yùn)動(dòng)偵測(cè)功能，可偵測(cè)出物體是否處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并能敏感出某一軸向加速度是否超過(guò)了用戶自定義門限，可偵測(cè)物體是否正在跌落。此外，還集成了一個(gè)32級(jí)FIFO緩存器，用來(lái)緩存數(shù)據(jù)以減輕處理器的負(fù)擔(dān)。ADXL345可在傾斜敏感應(yīng)用中測(cè)量靜態(tài)重力加速度，也可在運(yùn)動(dòng)甚至振動(dòng)環(huán)境中測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度，非常適合于移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用，可望在手機(jī)、游戲和定位設(shè)備、微小型導(dǎo)航設(shè)備、硬盤保護(hù)、運(yùn)動(dòng)健身器材、數(shù)碼照相機(jī)等產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。ADXL345 豐富的功能是通過(guò)使用寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這些豐富的寄存器，用以選擇數(shù)據(jù)格式、FIFO工作模式、數(shù)字通信模式、節(jié)電模式、中斷使能以及修正各軸偏差等等[2]。

常用的寄存器有：

（1）POWER_CTL，用來(lái)設(shè)定供電模式，與BW_RATE配合，可設(shè)定數(shù)據(jù)率，默認(rèn)值為100Hz。ADXL345正常供電情況下，能根據(jù)輸出數(shù)據(jù)率大小自動(dòng)調(diào)節(jié)其功耗。如果要進(jìn)一步降低功耗，將BW_RATE寄存器中的LOW_POWER位置位，進(jìn)入低功耗模式。

（2）DATA_FORMAT，該寄存器的設(shè)置影響著DATAX0DATAX1、DATAY0、DATAY1、DATAZ0、DATAZ1數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)格式。DATA_FORMAT該8位寄存器可控制6項(xiàng)設(shè)置， 通過(guò)設(shè)置SPI位可設(shè)定SPI是采用3線還是4線接口模式，F(xiàn)ULL_RES位與RANGE位，用于設(shè)定加速度量程和對(duì)應(yīng)的分辨率模式，SELF_TEST位用于自檢[ ]。

（3）FIFO_CTL，設(shè)置緩存器具體的工作模式，比如Bypass、FIFO、Stream、Trigger模式，各種模式區(qū)別如下：在Bypass 模式中，F(xiàn)IFO 緩存器是退化的，僅FIFO[0]存儲(chǔ)一次采樣結(jié)果，無(wú)論是否被讀取，新數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)將舊數(shù)據(jù)覆蓋；在FIFO 模式中，F(xiàn)IFO 緩存器不停地收集數(shù)據(jù)直到緩存器滿，此時(shí)如果沒(méi)有及時(shí)讀數(shù)據(jù)，新到樣本數(shù)據(jù)將被丟棄，而當(dāng)FIFO 被讀取后，它將繼續(xù)收集新到數(shù)據(jù)；在Stream模式中，F(xiàn)IFO緩存器不停地收集數(shù)據(jù)，當(dāng)緩存器滿，自動(dòng)丟棄FIFO[0]，其他樣本值向前移位填充，最新數(shù)據(jù)填入FIFO[31]；在Trigger模式中，F(xiàn)IFO 開(kāi)始工作與Stream 模式類似，收集樣本值直到FIFO緩存器滿，然后丟棄最舊的數(shù)據(jù)，一旦觸發(fā)事件發(fā)生（由FIFO_CTL寄存器中TRIG_SOURCE位所定義），F(xiàn)IFO將保留最后n采樣值（其中n在FIFO_CTL寄存器中指定），然后像FIFO模式一樣運(yùn)行，即FIFO不滿時(shí)，繼續(xù)收集新的樣本值。

（4）INT_MAP、INT_ENABLE，ADXL345為事件驅(qū)動(dòng)提供兩個(gè)中斷輸出引腳：INT1、INT2。所有的中斷功能，例如DATA_READY、FREE_FALL、OVERRUN等等，均可同時(shí)使用，唯一的限制是有一些功能可能會(huì)共享中斷引腳。

（5）OFSX、OFSY、OFSZ，用來(lái)存放標(biāo)定的X、Y、Z軸的偏移量，初始化傳感器時(shí)使用

在有些領(lǐng)域也用到加速度計(jì)ADXL345測(cè)量角度，在靜態(tài)測(cè)量角度時(shí)，只用加速度計(jì)ADXL345就可以了。但是在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，只用加速度計(jì)是不行的。這就要分析靜態(tài) 下，使用加速度計(jì)ADXL345測(cè)量角度的原理了。

靜態(tài)下加速度計(jì)ADXL345測(cè)量角度的原理：（加速度計(jì)的Z軸與重力方向平行，X軸由水平勻速轉(zhuǎn)動(dòng)到某個(gè)角度，待加速度計(jì)穩(wěn)定后，開(kāi)始測(cè)量角度）使加速度計(jì)僅在重力的作用下根據(jù)正切關(guān)系和X軸上加速度的正負(fù)通過(guò)算法來(lái)計(jì)算X軸旋轉(zhuǎn)的方向至于角度是在測(cè)得轉(zhuǎn)向后再通過(guò)算法算出角度。測(cè)出的角度有正負(fù)之分，這與加速度計(jì)X軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向有關(guān)，不同的轉(zhuǎn)向?qū)?yīng)的算法是不用的。但是這種方法成立的關(guān)鍵是重力的方向始終一定，即豎直向下。這樣旋轉(zhuǎn)角的正負(fù)才有一個(gè)基準(zhǔn)，即重力的方向。只有弄清正負(fù)即轉(zhuǎn)動(dòng)方向才能正確的選擇算法，這樣算出的角度才是真值[ ]。

但是在動(dòng)態(tài)測(cè)量角度（角度是不斷變化的）時(shí)，會(huì)有其他因素影響角度的測(cè)量。例如測(cè)量車輛在爬坡時(shí)的角度變化：車輛在爬坡時(shí)在行進(jìn)方向的加速度不是常量。由于有額外的加速度，在使用上述的方法就行不同了，因?yàn)閄方向上的值是重力和車子加速度的合矢量，算出的旋轉(zhuǎn)角就和真正值有很大的偏差。（加速度計(jì)ADXL345的Z軸與重力方向平行，X軸與車輛前進(jìn)方向平行。）

綜上，在動(dòng)態(tài)測(cè)量角度時(shí)會(huì)以為有車輛的加速度的存在，使得加速度計(jì)不是在僅受重力的情況下測(cè)量動(dòng)態(tài)角度的，以至于加速度計(jì)ADXL345不能正確的轉(zhuǎn)向，只要我們將車輛轉(zhuǎn)向通過(guò)其他裝置測(cè)得，在應(yīng)用相對(duì)應(yīng)的算法就可以得到車輛正確的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

正確測(cè)量轉(zhuǎn)向是準(zhǔn)確測(cè)量動(dòng)態(tài)角度的關(guān)鍵。對(duì)于轉(zhuǎn)向的測(cè)量我們可以用到水銀開(kāi)關(guān)。水銀開(kāi)關(guān)水銀開(kāi)關(guān)，又稱傾側(cè)開(kāi)關(guān)，是電路開(kāi)關(guān)的一種，以一接著電極的小巧容器儲(chǔ)存著一小滴水銀，容器中多數(shù)為真空或注入惰性氣體。

水銀開(kāi)關(guān)的原理：

因?yàn)橹亓Φ年P(guān)系，水銀水珠會(huì)向容器中較低的地方流去，如果同時(shí)接觸到兩個(gè)電極的話，開(kāi)關(guān)便會(huì)將電路閉合，開(kāi)啟開(kāi)關(guān)。容器的形狀亦會(huì)影響水銀水珠接觸電極的條件，例如郵包炸彈使用的會(huì)是倒 V 字型的，令收件人在不知情的情況下傾側(cè)郵包，閉合電路，制動(dòng)爆炸，但送件人（或是郵包攜帶者或制造者）則不會(huì)。注意：水銀對(duì)人體及環(huán)境均有毒害，因此使用水銀開(kāi)關(guān)時(shí)，請(qǐng)務(wù)必小心謹(jǐn)慎，以免破出；在不再使用時(shí)，也應(yīng)該妥善處理。

采用兩個(gè)水銀開(kāi)關(guān)，分別傾斜的放在以加速度計(jì)為中心X軸和Z軸組成坐標(biāo)系的三四象限，當(dāng)加速度計(jì)水平放置時(shí)，水銀開(kāi)關(guān)都不會(huì)處于開(kāi)啟狀態(tài)，當(dāng)加速度計(jì)向X軸正向旋轉(zhuǎn)是，一個(gè)水銀開(kāi)關(guān)開(kāi)啟（另一個(gè)水銀開(kāi)關(guān)閉合）；當(dāng)加速度計(jì)向X軸負(fù)向旋轉(zhuǎn)時(shí)，另一個(gè)開(kāi)關(guān)開(kāi)啟，這樣我們將兩個(gè)水銀開(kāi)關(guān)的一端接入高電平，另一端分別接入不同的測(cè)量口，這樣我們就可以根據(jù)這兩個(gè)輸入口不同的高低電平組合，就可以準(zhǔn)確測(cè)得轉(zhuǎn)向。

角度的測(cè)量：

通過(guò)水銀開(kāi)關(guān)測(cè)出被測(cè)物的旋轉(zhuǎn)方向，在根據(jù)加速度計(jì)測(cè)出三個(gè)方向的加速度，我們利用三角函數(shù)關(guān)系就可以計(jì)算出被測(cè)物當(dāng)前位置相對(duì)于豎直方向的夾角大小和方向，這樣我們就可以正確測(cè)出被測(cè)物每一時(shí)刻的動(dòng)態(tài)角度。再通過(guò)顯示裝置就可以顯示出來(lái)。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭長(zhǎng)勇，陳軍寧.一種新型MEMS加速度計(jì)溫度補(bǔ)償方法研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2015（1）：39-42.

[2]袁西.陳棟.田湘.等.三軸數(shù)字加速度計(jì)ADXL345及其在捷聯(lián)慣導(dǎo)中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（3）：138-140.

[3]鄧亞軍.成守沖.微小型加速度計(jì)的精密裝配及影響性能的因素研究[J].工程技術(shù)：文摘版：00099-00099.

[4]宋振.高國(guó)偉.多傳感器融合在傾角測(cè)量抗振動(dòng)中的應(yīng)用[J].傳感器世界，2014，20（5）：14-19.

作者簡(jiǎn)介：

昝鷺鷥；1995年11月18日；男；漢族；天津市人；職稱：學(xué)生；單位：鄭州大學(xué)；專業(yè)：機(jī)械工程；

肖長(zhǎng)天；1997年7月4日；男；漢族；湖北省人；職稱：學(xué)生；單位：鄭州大學(xué)；專業(yè)：機(jī)械工程；

劉超峰；1996年2月1日；男；漢族；河南人；職稱：學(xué)生；單位：鄭州大學(xué)；專業(yè)：機(jī)械工程；

胡繼煌；1996年11月17日；男；漢族；湖南人；職稱：學(xué)生；單位：鄭州大學(xué)；專業(yè)：機(jī)械工程；