工业应用中的精密倾斜感知

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STMCU小助手发布时间：2022-12-2 14:09

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文章简介:	工业应用中的精密倾斜感知

引言
在本应用笔记的指导下，用户可在静态或动态环境中选择最合适的意法半导体传感器进行角度测量。
倾角计用于测量相对于地球重力矢量的倾斜、坡度或倾角。倾角计广泛应用于游戏控制器、土地测量、飞机飞行控制器、卫星天线、平台调平、太阳能电池板、车辆、照相机、手机等方面，以及工业和医疗平台调平领域。
倾斜估测中使用的典型技术包括液体电容传感、液体中的气泡、电解质、MEMS 加速度计或 imu。MEMS 角计因其较小的尺寸、低廉的成本和易于集成而广受欢迎。MEMS 技术的最新进展进一步降低了噪声、尺寸和功耗。
根据所使用的算法，倾角计主要分为两类：
• 静态倾角计主要用于静态应用，例如天线或平台稳定和监测、建筑结构健康监测（SHM）、农业设备中的主动侧翻保护（ARP）、机器人位置感知和控制、太阳能电池板安装和跟踪器、工业机械底盘调平、精密水准仪。在这些应用中，平均加速度始终接近地球重力（g = 9.81 m /秒²或 32.2 英尺/秒²）或仅经历短期外部加速度，因此静态倾角计是倾斜角的合适解决方案，能够提供可靠的精度。外部加速度（任何类型的运动，如移动、振动等）会在静态倾角计的倾斜测量中引入误差。
• 动态倾角计是一种用于测量物体相对于重力矢量的坡度（倾斜度）、高度或下垂度的解决方案，而该物体并非静止且会经受快速运动、振动或冲击。由于倾角计仅依靠重力加速度的投影来测量物体相对于重力矢量的角度，因此任何外部加速度（任何类型的运动，如移动、振动等）都会在倾斜测量中引入误差。为了克服这个问题，除了加速度计之外，还可以使用陀螺仪。这种使用 IMU 并利用高级算法（例如：卡尔曼滤波器）来组合两个传感器测量值的解决方案被称作动态倾斜仪，能够对加速度计和陀螺仪的信号进行处理，以获得来自各个传感器的无误差值。
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表示重力矢量和传感器/设备轴之间角度的倾角可以用三个不同的分量在三维空间中表示。不同行业的表示方式各有不同，具体取决于传感器的传感轴数。在下一节中，我们将描述使用加速度计和不同轴模式计算倾角的原理。

1 单轴或单平面倾斜计算
在某些应用中，只需要测量单个倾角，且此模式用于测量相对于 X 轴的倾斜。下图显示了用于测量重力分量的加速度计传感轴。

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加速度计测量其传感轴上的重力矢量投影。对于单轴传感器，仅测量沿 X 轴的重力分量，对于双轴或三轴传感器，沿 Y 轴的其余分量将在 Z 轴保持固定的情况下测量。一些文献表示，在计算中同时使用 X 轴和 Y 轴可称为双轴倾斜计算。
X 轴将按以下方式测量重力投影：

X = g * sin Φ (1)

如果加速度计为双轴或多轴，则 Y 测量值将为：

Y = g * cos Φ (2)

下图显示了相对于 φ 的 X 和 Y 测量值。

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倾斜角 φ 可使用以下公式计算：

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方程式 3 中显示的 3 个公式都将计算 φ 角。从图 3 中可以观察到，当传感器轴垂直于重力矢量时，传感器对角度变化更为敏感。灵敏度可以通过计算每个 φ 的斜率或 φ 的相关微分方程 3 来测量。灵敏度分析有助于了解每个轴上的误差如何影响倾角计算，并且误差的影响并非恒定。灵敏度的计算结果如图 4 所示。从图中可以看出，使用 arcin 或 arccos 的灵敏度随倾斜角度而变化。如图所示，随着 arcsin 的灵敏度降低，arccos 角的灵敏度增加，使用 arctan 可以保持灵敏度恒定。
使用 arctan2 以及双轴或三轴传感器的另一个优点是，能够在[0,360]范围内计算倾斜角，而单轴的最大范围可达[-90,90]，并且仅在小角度时具有高分辨率。

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