动态倾角传感器及其传递特性的研究

　　0 引言

　　物体在动态环境下的倾角变化是描述物体运动状态、特征的重要参数，对目标的定位、追踪起到非常重要的作用[1]。需要进行动态测量的领域非常广泛，例如在自平衡代步车中，必须随时知道其自身的姿态信息以便调整运动状态保持平衡。目前常用的加速度式倾角传感器、导电液倾角传感器等在静态测量中表现出了较高的性能，然而由于在动态环境中引入了更多的干扰信号，使其测得的动态倾角并不正确。市场上出售的封装好的动态倾角传感器价格昂贵，不适合低端用户使用[2]。

　　文中利用惯性传感器作为主要的测量器件，设计了一种基于互补滤波的动态倾角传感器，利用电位计在动态环境下对其测量性能作了测试，给出了测试结果，通过系统辨识获取该传感器的传递函数，说明了其设计的合理性。

　　1 互补滤波

　　1. 1 加速度计及陀螺仪的弊端

　　加速度计可以测量动态和静态的线性加速度，用加速度计直接测量物体静态重力加速度可以确定倾斜角度。但是加速度计受动态加速度影响较大，不适合跟踪动态角度运动，单独应用加速度计检测动态倾角并不合适[3]。

　　陀螺仪的直接输出值是相对灵敏轴的角速率，角速率对时间积分可得到围绕灵敏轴旋转过的角度值。陀螺仪虽然动态性能良好，不受加速度变化的影响，但是存在累积漂移误差，而无论多么小的常值漂移通过积分都会得到无限大的角度误差，不适合长时间单独工作[4]。

　　图1 为加速度计和陀螺仪在有水平加速度情况下分别测得的角度。可以看出测量初期，由于受水平加速度的的影响，加速度计测量值产生剧烈变化，当角度稳定后，测量得到真实值。而陀螺仪前期准确，随着时间的延长，测量误差逐渐变大。

　　1. 2 简易互补滤波器

　　为了弥补加速度计和陀螺仪各自的缺点，采用一种简易互补滤波算法来融合加速度计和陀螺仪的输出信号，补偿加速度计的动态误差和陀螺仪的漂移误差，得到一个更优的倾角近似值。对于加速度计，需要采用滤波算法除去短时性快速变化的信号，保留长时性缓慢变化的信号，所以对加速度计应用低通滤波算法。对于陀螺仪，情况正好相反，应用高通滤波方法处理陀螺仪数据，抑制陀螺仪积分的漂移[5]。针对加速度计和陀螺仪的数据融合滤波器结构如图2 所示。

　　简易互补滤波器可表示为:

式中: anglen为第 n 次采样后测量的角度; anglen - 1为第 n -1 次采样后测量所得角度; ωn为第 n 次采样测得的陀螺仪的角速率; θn为第 n 次加速度计测得的角度值; dt 为采样时间。