《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > MEMS|傳感技術(shù) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 基于ADIS16355的汽車駕駛操作信號(hào)采集系統(tǒng)
基于ADIS16355的汽車駕駛操作信號(hào)采集系統(tǒng)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2012年第2期
趙 玲,李文靖,李長(zhǎng)安,付少波,李慶輝
軍事交通學(xué)院,天津300161
摘要: 研究開發(fā)了一種基于集成微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器的新型汽車駕駛操作信號(hào)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對(duì)MEMS傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行A/D采樣,獲得相應(yīng)的數(shù)字信號(hào),并將其送進(jìn)DSP進(jìn)行處理。運(yùn)用差分測(cè)量方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車駕駛姿態(tài)角的高精度測(cè)量。闡述了系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計(jì),并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了可行性驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,此測(cè)量系統(tǒng)能夠滿足汽車駕駛姿態(tài)測(cè)量的精度要求,是確實(shí)可行的測(cè)量系統(tǒng)。
中圖分類號(hào): TP2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2012)02-0037-03
The acquisition system of vehicle driving operation signal based on ADIS16355
Zhao Ling,Li Wenjing,Li Chang′an,F(xiàn)u Shaobo,Li Qinghui
The Academy of Military Transportation PLA, Tianjin 300161,China
Abstract: This paper studied a new signal acquisition system of vehicle driving operation,which based on MEMS sensors. When the output analog signals came from the MEMS sensor , sampling them into digital signals and processed them with DSP and useing the method of differential measurement,the system could get the value of attitude angles with high precision. The configuration and software design of system were discussed .The feasibility of system was proved by tests. The result showed that it could meet the requirements of accuracy of vehicle driving attitude measurement. It was a practical measurement system.
Key words : ADIS16355;MEMS sensor;vehicle driving operation;signal detection;differential measurement

    國內(nèi)外現(xiàn)有的汽車模擬駕駛器和汽車駕駛考核系統(tǒng)中,對(duì)腳踏板(油門踏板、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,主要是通過安裝角度傳感器或通過機(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實(shí)現(xiàn);檔位的位置狀態(tài)則通過在檔位的不同位置分別安裝行程開關(guān)組或非接觸開關(guān)組(霍爾開關(guān)、光電開關(guān))得到開關(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)帶來了較大不便[1-2]。

    近年來,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、腳剎、離合、手剎、檔位等車輛駕駛操作機(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;供電電源采用汽車充電發(fā)電機(jī)和車載蓄電池,供電電壓在9 V~30 V之間,系統(tǒng)設(shè)備使用的電源電壓為5 V。
1.2 MEMS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4.75 V~5.25 V;2 000 g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(23 mm×23 mm×23 mm Mod封裝)。
1.3 差分測(cè)量方法
    通過將兩個(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)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、剎車和油門踏板上(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)車上的安裝圖。
    在實(shí)車上進(jìn)行實(shí)車實(shí)驗(yàn),刻意讓車體產(chǎn)生最大幅度的振動(dòng)和姿態(tài)變化,采集踩下油門踏板(以油門踏板為例)然后放開踏板時(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)感汽車駕駛操作傾角信號(hào)采集的精度要求,說明此測(cè)量系統(tǒng)的可行性。
    圖4為對(duì)油門踏板X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的汽車駕駛操作信號(hào)采集系統(tǒng),基本思想是通過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)能滿足汽車駕駛操作信號(hào)采集的精度要求。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉軍.基于IMEMS傳感器的汽車運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2009(28):12-15.
[2] 蔣海濤.基于MEMS器件的傾角指示系統(tǒng)研究[J].測(cè)控技術(shù),2010,29(6):5-11.
[3] 楊友文,王建華.MEMS技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].微納電子技術(shù),2003(3):29-32.
[4] ANSORGE F,WOLTER J,REBHOLZ C,et al.Micromechatronics in automotive application[C].Berlin:Springer,
2003:47-57.
[5] 黃軍輝.MEMS傳感器技術(shù)在汽車上的應(yīng)用研究與展望[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2010(9):3-8.
[6] 李長(zhǎng)安.用于汽車動(dòng)感駕駛模擬器的動(dòng)態(tài)傾角檢測(cè)裝置[P].中國,ZL201020158 293.3.2010-12-22.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。