旋转状态下动态倾角测量系统设计

计

　　根据上述5种思路，构建旋转状态下倾角测量系统，该系统结构如图5所示。

　　其中，sensor_A和sensor_B表示测量系统包含的2个分量(对于2只单轴加速度计方案为2只单轴加速度计；对于双轴加速度计方案，为双轴加速度计两相互垂直的敏感轴)，这里，分别选用VTI公司的SCA61T-FAHH1G(±0.5gn)和SCA100T-D02(±1.0gn)2个系列的传感器；图中为了使采集到的2个分量数据为同一时刻的数值，这里，采用16位高精度同步采集模数转换器AD7654，该A／D转换器可以同时采集选定的2个通道的数据，从理论上保障了参与运算的两路数据的并发性；考虑到目前只须将采集到的数据经滤波处理后送上位机进行拟合插值，所以，选择8位RISC精简指令集的Atmega128单片机即可满足要求；单片机与上位机的数据通道采用串口通信。对于这2个方案，选取R=30cm，r=10 cm。

　　3数据采集与误差分析

　　实验中，采用TZS-74IIA型陀螺仪表综合试验转台，在转速为0°／s～100°／s(间隔10°／s)下分别采集与水平夹角为-15°～+15°范围内的角度输出，如表1。(表中数据为A／D转换器输出数值，counts)

　　以上数据分别以每3°和每5°为间隔作为已知样本点，利用Matlab中提供的二维一般分布数据的插值函数z=griddata(X0，Y0，Z0，x，y，'方法')进行插值运算，(X0，Y0，Z0为已知样本集合；x，y为新的插值点，这里，选择上表中把作为已知样本点以外的点作为新的插值点；z为插值结果；方法包括：linear，cubic，nearest，v4)，并绘制误差的三维曲面。图6～图9中，X，Y轴表示倾角测量系统中两分量经A／D转换后输出的数字量，单位：counts。

　　根据试验结果可知，随着已知插值样本点密度的增大，误差逐渐减小，同时，在Matlab提供的4种插值方法中，li-near和v4的效果最好，cubic次之，nearest最差；且双轴加速度计方案的效果远不如2只单轴加速度计方案。

　　4结论

　　提出了5种抵消基于MEMS加速度计的倾角测量系统在旋转状态下所产生的误差的方法。所有方案角度计算公式复杂度相同，且均满足传感器的每一组输出对应唯一的一个角度值，故这几种方法均具备很高的可行性。根据试验结果得出：对于角度范围和转速不高的应用场合，双轴加速度计方案有一定使用价值；而针对大角度范围、高转速的情况下，2只单轴加速度计方案的优势比较明显。

作者：王超，高国伟，潘雪，张军，赵瑜