三軸加速度傳感器在智能車控制與道路識(shí)別中的應(yīng)用

三軸加速度傳感器MMA7260Q可以測(cè)量智能車慣性大小，選取最佳重心位置，并能準(zhǔn)確定位智能車處于直線、彎道、坡道、漂移等運(yùn)行狀態(tài);利用加速度傳感器能夠提前預(yù)測(cè)路徑，并判斷何時(shí)剎車效果最佳。并且很好的解決了在直立行走車模的平衡與方向識(shí)別。

由此提出了一種基于三軸加速度傳感器在智能車中的控制以及路徑識(shí)別的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)采用三軸加速度傳感器MMA7260Q測(cè)量智能車在運(yùn)動(dòng)中的加速度信號(hào)，以嵌入式單片MC9S12XSl28B作為核心控制器，對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行采樣，A/D轉(zhuǎn)換，再將特征數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在EEPROM中。很好地解決了智能車運(yùn)動(dòng)路徑分析的問題以及在。實(shí)時(shí)獲取小車加速度，從而更加全面的獲取小車的運(yùn)行狀態(tài)，為控制的流暢性和更好的路況識(shí)別提供了可能。

在直立行走的車模中，應(yīng)用同樣的原理，選擇最佳重心，可以很好地解決直立行走車模的平衡以及方向識(shí)別，從而加快車模的行車速度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：結(jié)合加速度傳感器具有很強(qiáng)的抗干擾性，提取角度信息更準(zhǔn)確，確保了智能車在直道上能夠以較高的速度行駛，在彎道則能基本不失速平滑地過彎。

1. 智能車現(xiàn)存問題

在車模運(yùn)行當(dāng)中，人無(wú)法判斷小車的運(yùn)行狀態(tài)，使用加速度傳感器來(lái)監(jiān)控小車的加速度，這樣可以更加精確地知道小車的運(yùn)行狀態(tài)，而且可以通過對(duì)某個(gè)方向加速度的變化的檢測(cè)來(lái)區(qū)分出坡道和非坡道。從而進(jìn)行相應(yīng)的策略應(yīng)對(duì)。避免小車在比賽時(shí)出現(xiàn)停車與翻車現(xiàn)象。以及很好地解決了直立行走的車模中在行走過程中的平衡性。

2. MMA7260Q簡(jiǎn)介

加速度傳感器是Freescale公司出品的MMA7260Q。

圖1 芯片引腳定義

2.1 MMA7260Q的特性：

在一個(gè)設(shè)備中提供三軸向XYZ檢測(cè)靈敏度，可選靈敏度：1.5g、2g、4g 和6g;功耗低，具有休眠模式，低壓運(yùn)行一般在2.2V~3.6V，能夠快速啟動(dòng)，一般啟動(dòng)時(shí)間為1ms;其低噪音，封裝一般為16針腳6mm x 6mm x 1.45mm無(wú)針腳型方體扁平封裝(QFN)。

2.2 MMA7260Q的優(yōu)點(diǎn)

為多功能應(yīng)用提供靈活的可選量程：包括1.5g、2g 、4g 和6g;功耗低，可延長(zhǎng)電池使用壽命 開機(jī)響應(yīng)時(shí)間短，最適合電池供電手持設(shè)備的休眠模式，組件數(shù)量少-節(jié)約成本和空間噪音低、靈敏度高，具有自適應(yīng)功能，頻率及解析度高，提供精確的墜落、傾斜、移動(dòng)、放置、震動(dòng)和搖擺感應(yīng)靈敏度不同應(yīng)用的建議重力加速度級(jí)別自由落體檢測(cè)：1g~2g 傾斜控制：1g~2g。

2.3加速度傳感器應(yīng)用分析

2.3.1干擾因素分析

芯片可以測(cè)試一個(gè)方向上的加速度變化。所以采用了不同的安裝方式，其間要考慮到比較多的干擾因素。

一、車體行進(jìn)過程中的機(jī)械振動(dòng)

二、速度控制不平滑對(duì)車體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響

三、常規(guī)情況下的誤差和正常時(shí)，加速度傳感器產(chǎn)生的輸出區(qū)別大小

2.3.2安裝方式分析

若安裝于安裝攝像頭的立桿上，桿子在小車加減速的時(shí)候有比較明顯的左右晃動(dòng)，通過Labview觀察發(fā)現(xiàn)干擾過大。若安裝于小車后部，由于電機(jī)自身的振動(dòng)，對(duì)MEMS產(chǎn)生的影響會(huì)較之前更為明顯。

經(jīng)測(cè)試，如果測(cè)量水平X方向的加速度，宜將裝有MMA2260的電路板裝載在車前部。

圖二 加速度傳感器安裝方式

若在直立行走車模上安裝，則要測(cè)量豎直Z方向上的加速度。

圖三 直立行走車模安裝示意圖

2.4硬件電路設(shè)計(jì)

MMA7260Q信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)加速度信號(hào)采集模塊如圖1所示。x，y，z 3個(gè)相互垂直方向上的加速度由G-Gell傳感單元感知，電容值經(jīng)過容壓變換器轉(zhuǎn)換為電壓值，經(jīng)過增益放大器、濾波器和溫度補(bǔ)償以電壓的形式作為輸出信號(hào)拉J，經(jīng)過放大濾波處理，將所需模擬信號(hào)調(diào)整至一個(gè)合適的范圍，再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送數(shù)據(jù)處理單元。

圖四 加速度信號(hào)采集結(jié)構(gòu)圖

加速度傳感器與單片機(jī)的接口電路MMA7260Q與MC9S12XSl28B的硬件接口電路如圖2所示。微處理器內(nèi)部包含完整的地輸入緩存器、模擬開關(guān)電路、可編程增益放大器和A/D轉(zhuǎn)換器以及數(shù)字濾波器，使用非常方便。G1，G2輸入低電平，靈敏度達(dá)到800 mV/g。。當(dāng)Mode=l時(shí)，加速度傳感器處于正常工作狀態(tài)。x，y，z輸出端分別接RC濾波器，再通過高輸出驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器TLV4112構(gòu)成電壓跟隨作用，輸出穩(wěn)定的直流電壓信號(hào)。

圖五 MMA7260Q與MC9S12XSl28B的硬件接口電路

2.5軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)采用CodeWamor軟件與BDM作為調(diào)試工具，編程環(huán)境支持c語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)，大大方便了用戶的程序設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)開發(fā)效率。本設(shè)計(jì)程序代碼使用C語(yǔ)言編寫。

圖六 加速度程序流程圖

2.6 A/D采樣流程設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)初始化模塊和實(shí)時(shí)路徑檢測(cè)模塊。

1)單片機(jī)的初始化模塊包括：I/O模塊，AD模塊，定時(shí)中斷模塊初始化。

2)實(shí)時(shí)路徑檢測(cè)模塊：利用接受管，紅外光電傳感器和CCD攝像頭檢測(cè)特征信號(hào)，利用加速度傳感器檢測(cè)角度信號(hào)，將返回信號(hào)輸入單片機(jī)的輸入端口，程序不問斷地讀入輸入端口的信號(hào)，結(jié)合判斷語(yǔ)句，得出合適的PWM控制信號(hào)。

圖七 主程序與中斷程序流程圖

2.7實(shí)驗(yàn)測(cè)試

圖中曲線為時(shí)間和AD采集到的數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。而AD采集到的數(shù)據(jù)可以用來(lái)反映加速度的變化情況

圖八 裝載于靜止小車上時(shí)

圖九 裝載于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變小車上時(shí)

圖十 小車角度變化時(shí)，加速度傳感器值的變化規(guī)律

通過測(cè)試可以看出。對(duì)于車體角度的變化，加速度傳感器的值都有一定的變化。不過同時(shí)也看到車子的振動(dòng)對(duì)加速度傳感器也會(huì)產(chǎn)生一些干擾。

在識(shí)別坡道時(shí)，如果加速度傳感器監(jiān)控的是豎直方向的加速度，即z方的加速度，那么在平道上時(shí)，明顯豎直方向上加速度為零，在上坡后，如果忽略摩擦力，那加速度將變化為gsinθcosθ。通過加速度傳感器中加速度的變化可以容易的辨別出平道和坡道。

2.8數(shù)字濾波算法設(shè)計(jì)

由于加速度傳感器三軸之間差異和較高靈敏度，防止在運(yùn)動(dòng)過程中由于智能車的抖動(dòng)引起的誤差，對(duì)單片機(jī)采樣得到的電壓值進(jìn)行歸一化處理，最后可得到各方向傳感器的相對(duì)電壓值。具體實(shí)現(xiàn)方法：讓智能車后輪轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，分別記錄各傳感器輸出信號(hào)的最大值和最小值，用最大值減去最小值得到各傳感器在運(yùn)動(dòng)過程中的輸出范圍。在智能車行駛過程中將各方向傳感器輸出的信號(hào)值減去最小值，再除以各方向傳感器的輸出范圍即可得到其相對(duì)輸出值。根據(jù)g1=g2=0，最小值對(duì)應(yīng)著-1.5g，最大值對(duì)應(yīng)著+1.5g。，靜止時(shí)各向加速度值為0，加速度范圍為-1.5g一+1.5g。

2.9路徑識(shí)別規(guī)則

X-T表示智能車前后方向加速度信號(hào)，Y-OUT表示智能車左右方向加速度信號(hào)，Z-T表示智能車上下方向加速度信號(hào).采樣值經(jīng)過數(shù)字濾波，由于智能車的底盤不可能保持絕對(duì)水平，車身可能會(huì)向前傾斜或者向后傾斜，

所以，Y-OUT，X-OUT，Z-OUT值都有5%的誤差，當(dāng)處于勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，采樣值在100～110之間波動(dòng)。通過加權(quán)平均近似為105，125對(duì)應(yīng)+1.5g， 80對(duì)應(yīng)-1.5g。

3 結(jié)束語(yǔ)

MMA 7260Q是一種電容式加速度傳感器，融合了信號(hào)調(diào)理，單極低通濾波和溫度補(bǔ)償技術(shù)。成本低，功耗低，測(cè)試中加速度信號(hào)穩(wěn)定性與靈敏度都達(dá)到了預(yù)期的效果，從而提高了系統(tǒng)的控制精度，使舵機(jī)響應(yīng)速度變快。

基于三軸加速度傳感器在智能車的控制與路徑識(shí)別的設(shè)計(jì)，相比傳統(tǒng)的路徑識(shí)別具有數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，控制精度高的特點(diǎn)，使舵機(jī)響應(yīng)變快?？梢詮V泛應(yīng)用與無(wú)人駕駛智能車，智能儀表，機(jī)器人等高端技術(shù)領(lǐng)域。