PDF《AN-1057 应用笔记》

AN-1057 应用笔记 One Technology Way ? P.

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8 使用加速度计进行倾斜检测 作者:Christopher J. Fisher 简介 检测系统倾斜的一种常用方法是对陀螺仪输出进行积分. 虽然这种方法直截了当,但与零点偏置稳定性有关的误差 会随着积分周期的增加而快速累积,使设备发生明显旋 转――哪怕此时设备是静止的. 在某些应用中,若整个时间范围内作用于系统的净加速或 力是重力,那么可以使用加速度计来测量倾斜的静态角 度.这类应用有:游戏机、相机中的水平检测,以及在工 业和医疗应用中检测设备的驶向. 对于采用加速度计的倾斜检测,假设重力是唯一的加速激 励因素.在实际使用中,可在信号输出端执行信号处理, 移除输出信号的高频成分,因此一定程度的交流加速度是 可以接受的. 倾斜检测利用重力矢量及其在加速度计轴上的投影来确定 倾斜角度.由于重力是直流加速度,任何产生额外直流加 速度的力均会破坏输出信号,导致计算错误.直流加速度 的来源包括车辆在一定时间内以恒定速度加速,以及旋转 器件在加速度计上产生向心加速度.此外,通过重力旋转 加速度计,随着目标轴上的重力投影变化,会引起明显的 交流加速度.在计算倾斜之前,对加速度信号进行任何形 式的滤波都会影响建立输出新静态值的速度. 本应用笔记讨论将加速度计输出转换为倾斜角度的基本原 理.讨论内容包括如何计算单轴、双轴或三轴解决方案的 理想倾斜角度.此外还包括一些关于校准的基本信息,以 减少失调和灵敏度失配所引起的误差. AN-1057 Rev.

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8 目录 简介.1 倾斜计算.3 单轴倾斜计算.3 双轴倾斜计算.4 三轴倾斜计算.6 校准失调和灵敏度失配误差.7 失调误差的影响.7 灵敏度失配误差的影响

7 基本校准技术.8 AN-1057 Rev.

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8 θ +X +X 1g 1g 08767-001 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2

0 C0.2 C0.4 C0.6 C0.8 OUTPUT ACCELERATION, A X,OUT C1.0 C100 C80 C60 C40 C20

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80 100 ANGLE OF INCLINATION, θ (Degrees) ( g ) 08767-002 图2. 输出加速度与倾角的关系 (单轴倾斜检测)

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10 8

6 4

2 0 C100 C80 C60 C40 C20

0 20

40 60

80 100 ANGLE OF INCLINATION, θ (Degrees) INCREMENTAL SENSITIVITY, S (m g /1°) 08767-003 X:

24 Y: 16.01 X:

63 Y: 8.059 X:

77 Y: 4.074 图3. 步进为1°时的增量倾斜灵敏度 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5

0 C100 C80 C60 C40 C20

0 20

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80 100 ANGLE OF INCLINATION, θ (Degrees) INCREMENTAL SENSITIVITY, S (m g /0.25°) 08767-004 X: 23.5 Y: 4.005 X: 62.75 Y: 2.006 X: 76.75 Y: 1.009 图4. 步进为0.25°时的增量倾斜灵敏度 倾斜计算 单轴倾斜计算 在只需对有限的角度范围内进行倾斜检测的应用中(该应用 的分辨率精度较低),可使用单轴器件(或多轴器件中的单 个轴). 例如,在图1中,单轴(本例中是x轴)通过重力旋转.由于 此方法仅使用单轴,且需要重力矢量,因此只有当器件的 x轴始终位于重力平面上时,倾斜计算角度才是精确的. 其他轴上的任何旋转都会降低加速度在x轴上的幅度,计 算倾斜角度时便会产生误差. 由于以数字化的方式执行倾斜计算,输出加速度根据最低 有效位(LSB)或代码表现为恒定加速度,并由模数转换器 (ADC)获取,或者直接从数字输出部分获取.由于输出分 辨率是恒定的加速度,倾斜分辨率(以度为单位)是可变 的,其最佳分辨率接近0°,最差分辨率为±90°. 图3和图4显示倾角步进为1°和0.25°时的增量灵敏度.增量 灵敏度等于输出变化,以mg显示,表示每个倾角的步进, 或者: (2) 其中: N为当前角度. P为步长. 根据基本三角恒等式,x轴上的重力矢量投影会产生输出 加速度,大小等于加速度计x轴和水平面之间夹角的正弦 值.水平面通常是与重力矢量正交的平面.当重力为理想 值1 g时,输出加速度为: AX,OUT [g] =