基于MEMS加速度计和陀螺仪的动态倾角传感器硬件设计(2)
参考文献31
1 绪论
为掌握运动物体的速度，角度等姿态参数，需用惯性传感器对其测量。惯性传感器的关键组成部分是加速度计和陀螺仪，它们的测量精度和动态特性直接影响着测量结果的准确性。伴随时代的发展，MEMS技术也取得了很大进步，微型传感器在动态倾角测量系统中发挥越来越大的作用。
1.1 课题研究背景和意义
在机器人的平衡姿态检测、车辆的平衡等许多工程环境中经常需要测量物体的倾斜参数[1]，惯性传感器在各项测量过程中占有很大的地位。惯性传感器的关键组成部分包括加速度计和陀螺仪，加速度计可以测量物体静止状态下的加速度，但物体运动时会引入除重力以外的加速度，此时加速度计测得的加速度包含了受力运动产生的加速度，计算出的倾角会有很大误差；在物体运动时，可以利用陀螺仪陀螺仪测量其角速度，继而通过积分得到其角度，但陀螺仪会因为受振动等其他因素的影响导致误差。在倾角测量工程中可以充分可以利用两者的互补性，对二者采集的数据进行滤波整合，可以更好的提高测量精度[2]。
进入21世纪，MEMS微机电技术趋于逐步成熟化，体积变小、功耗降低、精度提高，可以应用的领域也越来越多。通过将加速度计、陀螺仪与这一技术相结合，可以构建用于多种场合的姿态检测系统，以可以满足各种场合的需求。
所谓微电子机械系统（Micro Electro Mechanical Systems,简称MEMS）是指各种微加工技术的集成，主要包括微型结构、微型传感器、微型执行器以及相应的控制电路、通信接口和电源等模块[3]。随着MEMS技术的发展，微型传感器得到了越来越多的应用。
本文设计的是一个小型的嵌入式动态倾角测量系统，无论物体是在静止还是运动状态下，系统采集对加速度计和陀螺仪的数据，并对其进行融合，可以大大减少物体的俯仰角与横滚角误差，进而能够得出物体的准确倾角和姿态。
1.2 国内外研究概况和发展综述
1.3 本人工作
针对课题背景及相关要求，对倾角测量系统，做出的工作安排如下：
（1）深入学习有关倾角测量的有关知识，查阅有关LPC1114单片机的资料，了解系统工作原理和操作方法。
（2）通过对市场上现有传感器资源进行分析比对，分别选用ADXL345与L3G4200D作为倾角测量过程中的主要器件。充分利用已有资源完成对相关模块的知识掌握，并能够熟练的使用该器件。
（3）在完成对主控芯片和主要元器件的理论知识掌握后，用Altium Designe完成相关硬件的设计。
（4）采用C语言进行相应程序的编写。并采集系统输出数据，采取一定的方法对数据进行修正补偿。
（5）为提高测量精度，着重研究探讨考察系统的补偿算法，对系统结构合理的调试。
1.4 章节安排
本文在设计之前首先制定设计流程，根据设计流程分为动态倾角测量系统的整体设计、硬件构建、软件编写及数据调试等方面。
论文章节安排如下：
第一章 介绍了课题背景及本人工作。
第二章 介绍了惯性传感器的工作原理和误差种类。
第三章 介绍了系统的硬件工作环境，对系统主控模块、加速度计模块和陀螺仪模块制定设计要求。
第四章 介绍了系统软件工作环境，制定软件流程图，对各模块软件进行数据读取，对数据采取合理的算法补偿。
第五章 介绍了系统调试的相关内容，采取卡尔曼滤波方法对系统进行补偿，分析卡尔曼滤波算法的可靠性。
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