基于MEMS陀螺儀的汽車(chē)駕駛操作信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的汽車(chē)模擬駕駛器和汽車(chē)駕駛考核系統(tǒng)中，對(duì)腳踏板（油門(mén)踏板、腳剎踏板、離合踏板）及手剎等操作機(jī)構(gòu)的狀態(tài)信號(hào)的提取，主要是通過(guò)安裝角度傳感器或通過(guò)機(jī)械裝置將機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為線性運(yùn)動(dòng)，安裝線性位移傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)；檔位的位置狀態(tài)則通過(guò)在檔位的不同位置分別安裝行程開(kāi)關(guān)組或非接觸開(kāi)關(guān)組（霍爾開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)）得到開(kāi)關(guān)量信號(hào)，獲取檔位的位置信息。由于這些傳感器成本較高、體積較大，且在一臺(tái)車(chē)輛中采用多種傳感器形式，檢測(cè)裝置規(guī)格不統(tǒng)一，給汽車(chē)駕駛狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的生產(chǎn)制造、安裝、維修、保養(yǎng)帶來(lái)了較大不便[1-2]。

近年來(lái)，微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)微機(jī)械慣性器件日漸成熟，慣性測(cè)量系統(tǒng)得到了迅猛發(fā)展[3]。慣性測(cè)量系統(tǒng)將微電子、精密機(jī)械、傳感器技術(shù)相互融合，具有集成度更高、性價(jià)比更好、體積更小、功耗更低等特點(diǎn)，且由于微機(jī)械結(jié)構(gòu)制作精確、重復(fù)性好、易于集成化、適于大批量生產(chǎn)，并有很高的性價(jià)比，在汽車(chē)上得到了廣泛的應(yīng)用[4-5]。陀螺儀和加速度計(jì)是姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的重要組成單元，本文選擇了ADIS16355傳感器，該傳感器集成了三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀傳感器，具有體積小、功能強(qiáng)、功耗低等特性，完全滿足汽車(chē)駕駛運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集要求。

1測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1測(cè)量系統(tǒng)硬件組成

汽車(chē)駕駛模擬器姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示，主要包括信號(hào)采集模塊（陀螺儀及信號(hào)調(diào)理電路）、信號(hào)處理及傳輸模塊（微控制器及通信電路）、電源模塊三部分。

信號(hào)采集模塊由MEMS陀螺儀傳感器和信號(hào)調(diào)理電路組成，完成對(duì)油門(mén)、腳剎、離合、手剎、檔位等車(chē)輛駕駛操作機(jī)構(gòu)傾角變化的物理量轉(zhuǎn)換，并完成傳感器輸出信號(hào)的可靠傳輸；信號(hào)處理及傳輸模塊由DSP構(gòu)成核心器件，實(shí)現(xiàn)在姿態(tài)和動(dòng)態(tài)加速度變化的條件下，精確測(cè)量運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傾角變化，完成信號(hào)的數(shù)字濾波、角速度變化量積分為角度變化量的運(yùn)算、差分處理及串行輸出等工作；供電電源采用汽車(chē)充電發(fā)電機(jī)和車(chē)載蓄電池，供電電壓在9V～30V之間，系統(tǒng)設(shè)備使用的電源電壓為5V。

1.2MEMS加速度傳感器的選擇

本文采用微機(jī)械(MEMS)ADIS16355陀螺儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)角度測(cè)量。ADIS16355陀螺儀是一款多軸運(yùn)動(dòng)傳感器，它高效地將三軸陀螺與三軸加速度計(jì)相結(jié)合，以測(cè)量所有六自由度。該傳感器集成了AD公司微機(jī)械和混合信息處理技術(shù)，是一個(gè)高度集成的解決方案，提供校準(zhǔn)后的數(shù)字慣性感應(yīng)；一個(gè)SPI接口和簡(jiǎn)單輸出注冊(cè)結(jié)構(gòu)形成了簡(jiǎn)單的系統(tǒng)接口和編程；單電源操作在4.75V～5.25V；2000g沖擊承受力。與其他現(xiàn)成慣性傳感器相比，ADI-

S16355精度提高了50倍，易于集成（23mm×23mm×23mmMod封裝）。

1.3差分測(cè)量方法

通過(guò)將兩個(gè)姿態(tài)傳感器探頭分別設(shè)置在被測(cè)物體和該被測(cè)物體所處的運(yùn)動(dòng)載體上，兩姿態(tài)傳感器在初始狀態(tài)姿態(tài)相同，其安裝位置應(yīng)盡量靠近，使兩傳感器近似處于一個(gè)剛體中。此時(shí)不論檢測(cè)載體（汽車(chē)）是否運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)姿態(tài)傳感器探頭輸出的檢測(cè)信號(hào)大小相等，差模信號(hào)接近為零。當(dāng)檢測(cè)裝置工作時(shí)，兩個(gè)三軸姿態(tài)傳感器同時(shí)提取被測(cè)物和載體相對(duì)地面的三維運(yùn)動(dòng)信號(hào)，兩組信號(hào)通過(guò)微處理器的數(shù)據(jù)融合及處理，屏蔽共有的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、姿態(tài)變化等共模信號(hào)，保留被測(cè)物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)載體角度或錐角變化的差模信號(hào)，進(jìn)而得到被測(cè)物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)載體的姿態(tài)變化量。該方法避開(kāi)了兩參照系數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的繁瑣數(shù)學(xué)計(jì)算，具有電路簡(jiǎn)單、信號(hào)采集處理速度快的特點(diǎn)[6]。如圖2(a)所示，為傳感器在油門(mén)踏板上的差分安裝原理圖。


2軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)的軟件包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩部分，軟件流程圖如圖3所示。按照安裝動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置，通過(guò)兩個(gè)模塊同時(shí)提取被測(cè)物體和動(dòng)態(tài)載體上四組三維檢測(cè)信號(hào)（兩組角速度信號(hào)和兩組加速度信號(hào)）。這四組三維電壓模擬量的采集信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬量數(shù)據(jù)處理模塊，屏蔽共有的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和姿態(tài)變化等共模信號(hào)，保留被測(cè)物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)載體錐角變化的差模信號(hào)，該檢測(cè)信號(hào)經(jīng)DSP的運(yùn)算處理，完成MEMS陀螺儀傳感器輸出的檢測(cè)信號(hào)與對(duì)應(yīng)角度量的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)被測(cè)物相對(duì)載體傾角的測(cè)量。


3實(shí)驗(yàn)

按照差分測(cè)量的要求，將靜止模塊粘貼于固定支架上，將運(yùn)動(dòng)模塊固定于離合器、剎車(chē)和油門(mén)踏板上（兩模塊與剛性架構(gòu)間均用減振膠和海綿做減振材料），安裝時(shí)使兩個(gè)模塊X軸處于測(cè)量靈敏度最高的測(cè)量位置，如圖2(b)所示為傳感器在實(shí)車(chē)上的安裝圖。

在實(shí)車(chē)上進(jìn)行實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)，刻意讓車(chē)體產(chǎn)生最大幅度的振動(dòng)和姿態(tài)變化，采集踩下油門(mén)踏板（以油門(mén)踏板為例）然后放開(kāi)踏板時(shí)的部分測(cè)試數(shù)據(jù)，分別利用加速度信息Xg1～Xg2、角速度信息X?棕1～X?棕2的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合考慮，相互修正，得到汽車(chē)姿態(tài)角的最優(yōu)估計(jì)值。如圖4為對(duì)加速度計(jì)和角速度陀螺X軸數(shù)據(jù)相互修正融合后的差模數(shù)據(jù)擬合曲線。可以看出，試驗(yàn)結(jié)果滿足動(dòng)感汽車(chē)駕駛操作傾角信號(hào)采集的精度要求，說(shuō)明此測(cè)量系統(tǒng)的可行性。

圖4為對(duì)油門(mén)踏板X(qián)軸數(shù)據(jù)修正融合后的差模數(shù)據(jù)擬合曲線。

本文研究設(shè)計(jì)了基于ADIS16355和DSP的汽車(chē)駕駛操作信號(hào)采集系統(tǒng)，基本思想是通過(guò)采集重力加速度和角速率信號(hào)，并對(duì)據(jù)進(jìn)行處理，最后運(yùn)用差分測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車(chē)駕駛狀態(tài)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該測(cè)量系統(tǒng)能滿足汽車(chē)駕駛操作信號(hào)采集的精度要求。