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1、72传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)2008年第27卷第1期*旋转状态下动态倾角测量系统设计王超,高国伟,潘雪,张军,赵瑜(北京信息工程学院信息获取与检测实验室,北京100101)摘要:介绍了MEMS加速度计在测量旋转状态下倾斜角度时所产生的误差的来源;阐述了基于MEMS加速度计去除这种误差的动态倾斜角度测量系统;比较了不同方案在精度和软硬件成本、实现复杂度方面的优劣。该研究在军工、航空、航天、航海等各个领域具有较
2、大实际意义。关键词:旋转状态;微机电系统;向心加速度;倾角传感器;加速度计中图分类号:TP274文献标识码:A文章编号:1000-9787(2008)01-0072-04Designofdynamicinclinometerin*circumrotationstateWANGChao,GAOGuowe,iPANXue,ZHANGJun,ZHAOYu(InformationAcquisition&DetectionKeyLaboratory,BeijingInformationTechnologyIns
3、titute,Beijing100101,China)Abstract:TheerrorsourceoftheMEMSaccelerometerusedininclinationmeasurementunderthecircumstanceofcircumrotationispresented.Thedynamicinclinationmeasuringsystemcapableofeliminatingtheveryerroriselaborated.Someschemesarecomparedaccording
4、toprecision,hardware/softwarecostsandcomplexity.Thestudywillbeofgreatpracticalsignificanceinthemilitary,industry,aviation,spaceflight,navigationandotherareas.Keywords:circumrotationcondition;MEMS;centripetalacceleration;inclinometer;accelerometer0引言始终向-1.0gn
5、无限靠近(与重力加速度同向),此时,与基于MEMS加速度计的倾角测量模块具有体积小、质AY垂直的AX轴的输出刚好为向心加速度-a。V2的输出量轻、成本低、抗冲击、可靠性高等优点。对有加速度干扰值为[1~3]下的倾角测量存在较大误差,本文围绕这一误差产生A2=gsin+AXcos=gsin-acos.(1)的来源和去除这种误差的方法进行了研究。经过运算整理得到倾斜角度为旋转状态下的倾角测量属于有加速度干扰的动态倾斜A2a=arcsin()+arcsin().(2)2222角度测量的一种。在旋转参考系下,质
6、量为m的物体受到g+ag+a指向旋转中心的连接物的牵引力,但却相对于该参考系静止,没有加速度,不符合牛顿第一定律。所以,相对于惯性系作匀速转动的参考系也是非惯性系,要在这种参考系中保持牛顿第二定律形式不变,在质点静止于此参考系的情况下,应引入离心惯性力,该力与旋转轴垂直。该状态下影响被测对象倾斜角度正确输出的加速度正是该力造成的。为了抵消这种在旋转状态下由于加速度引起的误差,本文图1单/双轴加速度计和直流电机方案示意图介绍了5种不同的实现方案,并比较了各自的优缺点。Fig1Schematicdiagramofs
7、ingleaxis,dualaxis1动态倾角测量系统的构建accelerometerandDCmotor1.1单轴/双轴加速度计和直流电机方案此方法最大的优点就在于理论上简单,易于理解,对数据如图1所示,V1为双轴加速度计,V2为单轴加速度处理算法要求不高。但这种方法由于使用电机驱动,会增大功计。V1为直流电机的负载,通过控制算法使AY的输出值耗;由于需要编写控制算法或使用专门的控制单元,会增大系收稿日期:2007-12-19*基金项目:国家自然科学基金资助项目(60672022)第1期
8、王超,等:旋转状态下动态倾角测量系统设计73统设计和调试的复杂性以及硬件开发成本,不易满足实时AX=-gsin.(7)性要求,总体可行性不强。AY=gcos1.22只单轴加速度计方案2绕Y轴旋转时,向心加速度a=Rcos,在加速度计如图2所示,其中,V1与旋转中心的距离为R,V2与两轴上的分量为旋转中心的
