有關于加速度計在動態角度測量方面的應用

昝鷺鷥+肖長天+劉超峰+胡繼煌

摘 要：角度的測量應經應用到很多方面。例如：無人機（植保機，穿越機等），農業機械，輪船，汽車，自動售貨機，機器人，太陽能電站。也就是說角度的測量對于我們的生活還是科研都有應用，同時也體現出角度測量的重要性。現在工業上測量角度的儀器有電子羅盤，NAL24R激光水準儀，DSO3高精度水準儀等。現在我為大家提供一個簡單，便宜的方法，那就是使用加速度計ADXL345+水銀開關測量角度的方法。

關鍵詞：角度測量；加速度計；水銀開關

ADXL345是ADI公司于2008年推出的采用MEMS技術具有SPI和I2C數字輸出功能的三軸加速度計，具有小巧輕薄、超低功耗、可變量程、高分辨率等特點：它只有3 mm×5 mm×1 mm的外形尺寸，面大小相當于小拇指指甲蓋的1/3；在典型電壓VS=2.5 V時功耗電流約為25～130μA，比先期采用模擬輸出的產品ADXL330功耗典型值低了約70～175μA；最大量程可達±16 g，另可選擇±2、±4、±8 g量程，可采用固定的4 mg/LSB分辨率模式，該分辨率可測得0.25的傾角變化[1]。

ADXL345提供一些特殊的運動偵測功能，可偵測出物體是否處于運動狀態，并能敏感出某一軸向加速度是否超過了用戶自定義門限，可偵測物體是否正在跌落。此外，還集成了一個32級FIFO緩存器，用來緩存數據以減輕處理器的負擔。ADXL345可在傾斜敏感應用中測量靜態重力加速度，也可在運動甚至振動環境中測量動態加速度，非常適合于移動設備應用，可望在手機、游戲和定位設備、微小型導航設備、硬盤保護、運動健身器材、數碼照相機等產品中得到廣泛應用。ADXL345 豐富的功能是通過使用寄存器來實現的。這些豐富的寄存器，用以選擇數據格式、FIFO工作模式、數字通信模式、節電模式、中斷使能以及修正各軸偏差等等[2]。

常用的寄存器有：

（1）POWER_CTL，用來設定供電模式，與BW_RATE配合，可設定數據率，默認值為100Hz。ADXL345正常供電情況下，能根據輸出數據率大小自動調節其功耗。如果要進一步降低功耗，將BW_RATE寄存器中的LOW_POWER位置位，進入低功耗模式。

（2）DATA_FORMAT，該寄存器的設置影響著DATAX0DATAX1、DATAY0、DATAY1、DATAZ0、DATAZ1數據寄存器中的數據格式。DATA_FORMAT該8位寄存器可控制6項設置， 通過設置SPI位可設定SPI是采用3線還是4線接口模式，FULL_RES位與RANGE位，用于設定加速度量程和對應的分辨率模式，SELF_TEST位用于自檢[ ]。

（3）FIFO_CTL，設置緩存器具體的工作模式，比如Bypass、FIFO、Stream、Trigger模式，各種模式區別如下：在Bypass 模式中，FIFO 緩存器是退化的，僅FIFO[0]存儲一次采樣結果，無論是否被讀取，新數據到來時將舊數據覆蓋；在FIFO 模式中，FIFO 緩存器不停地收集數據直到緩存器滿，此時如果沒有及時讀數據，新到樣本數據將被丟棄，而當FIFO 被讀取后，它將繼續收集新到數據；在Stream模式中，FIFO緩存器不停地收集數據，當緩存器滿，自動丟棄FIFO[0]，其他樣本值向前移位填充，最新數據填入FIFO[31]；在Trigger模式中，FIFO 開始工作與Stream 模式類似，收集樣本值直到FIFO緩存器滿，然后丟棄最舊的數據，一旦觸發事件發生（由FIFO_CTL寄存器中TRIG_SOURCE位所定義），FIFO將保留最后n采樣值（其中n在FIFO_CTL寄存器中指定），然后像FIFO模式一樣運行，即FIFO不滿時，繼續收集新的樣本值。

（4）INT_MAP、INT_ENABLE，ADXL345為事件驅動提供兩個中斷輸出引腳：INT1、INT2。所有的中斷功能，例如DATA_READY、FREE_FALL、OVERRUN等等，均可同時使用，唯一的限制是有一些功能可能會共享中斷引腳。

（5）OFSX、OFSY、OFSZ，用來存放標定的X、Y、Z軸的偏移量，初始化傳感器時使用

在有些領域也用到加速度計ADXL345測量角度，在靜態測量角度時，只用加速度計ADXL345就可以了。但是在動態測量中，只用加速度計是不行的。這就要分析靜態 下，使用加速度計ADXL345測量角度的原理了。

靜態下加速度計ADXL345測量角度的原理：（加速度計的Z軸與重力方向平行，X軸由水平勻速轉動到某個角度，待加速度計穩定后，開始測量角度）使加速度計僅在重力的作用下根據正切關系和X軸上加速度的正負通過算法來計算X軸旋轉的方向至于角度是在測得轉向后再通過算法算出角度。測出的角度有正負之分，這與加速度計X軸轉動方向有關，不同的轉向對應的算法是不用的。但是這種方法成立的關鍵是重力的方向始終一定，即豎直向下。這樣旋轉角的正負才有一個基準，即重力的方向。只有弄清正負即轉動方向才能正確的選擇算法，這樣算出的角度才是真值[ ]。

但是在動態測量角度（角度是不斷變化的）時，會有其他因素影響角度的測量。例如測量車輛在爬坡時的角度變化：車輛在爬坡時在行進方向的加速度不是常量。由于有額外的加速度，在使用上述的方法就行不同了，因為X方向上的值是重力和車子加速度的合矢量，算出的旋轉角就和真正值有很大的偏差。（加速度計ADXL345的Z軸與重力方向平行，X軸與車輛前進方向平行。）

綜上，在動態測量角度時會以為有車輛的加速度的存在，使得加速度計不是在僅受重力的情況下測量動態角度的，以至于加速度計ADXL345不能正確的轉向，只要我們將車輛轉向通過其他裝置測得，在應用相對應的算法就可以得到車輛正確的轉動角度。

正確測量轉向是準確測量動態角度的關鍵。對于轉向的測量我們可以用到水銀開關。水銀開關水銀開關，又稱傾側開關，是電路開關的一種，以一接著電極的小巧容器儲存著一小滴水銀，容器中多數為真空或注入惰性氣體。

水銀開關的原理：

因為重力的關系，水銀水珠會向容器中較低的地方流去，如果同時接觸到兩個電極的話，開關便會將電路閉合，開啟開關。容器的形狀亦會影響水銀水珠接觸電極的條件，例如郵包炸彈使用的會是倒 V 字型的，令收件人在不知情的情況下傾側郵包，閉合電路，制動爆炸，但送件人（或是郵包攜帶者或制造者）則不會。注意：水銀對人體及環境均有毒害，因此使用水銀開關時，請務必小心謹慎，以免破出；在不再使用時，也應該妥善處理。

采用兩個水銀開關，分別傾斜的放在以加速度計為中心X軸和Z軸組成坐標系的三四象限，當加速度計水平放置時，水銀開關都不會處于開啟狀態，當加速度計向X軸正向旋轉是，一個水銀開關開啟（另一個水銀開關閉合）；當加速度計向X軸負向旋轉時，另一個開關開啟，這樣我們將兩個水銀開關的一端接入高電平，另一端分別接入不同的測量口，這樣我們就可以根據這兩個輸入口不同的高低電平組合，就可以準確測得轉向。

角度的測量：

通過水銀開關測出被測物的旋轉方向，在根據加速度計測出三個方向的加速度，我們利用三角函數關系就可以計算出被測物當前位置相對于豎直方向的夾角大小和方向，這樣我們就可以正確測出被測物每一時刻的動態角度。再通過顯示裝置就可以顯示出來。

參考文獻：

[1]鄭長勇，陳軍寧.一種新型MEMS加速度計溫度補償方法研究[J].傳感技術學報，2015（1）：39-42.

[2]袁西.陳棟.田湘.等.三軸數字加速度計ADXL345及其在捷聯慣導中的應用[J].電子設計工程，2010，18（3）：138-140.

[3]鄧亞軍.成守沖.微小型加速度計的精密裝配及影響性能的因素研究[J].工程技術：文摘版：00099-00099.

[4]宋振.高國偉.多傳感器融合在傾角測量抗振動中的應用[J].傳感器世界，2014，20（5）：14-19.

作者簡介：

昝鷺鷥；1995年11月18日；男；漢族；天津市人；職稱：學生；單位：鄭州大學；專業：機械工程；

肖長天；1997年7月4日；男；漢族；湖北省人；職稱：學生；單位：鄭州大學；專業：機械工程；

劉超峰；1996年2月1日；男；漢族；河南人；職稱：學生；單位：鄭州大學；專業：機械工程；

胡繼煌；1996年11月17日；男；漢族；湖南人；職稱：學生；單位：鄭州大學；專業：機械工程；