ADXL202雙軸加速度計在與車速表無關(guān)的汽車導(dǎo)航系統(tǒng)中的有用作用

作者：Peter Shih 和 Harvey Weinberg

在過去十年中，使用全球定位系統(tǒng)（GPS）的車輛導(dǎo)航越來越受到人們的興趣。GPS導(dǎo)航經(jīng)常安裝在當(dāng)今的高端豪華車和許多商用車中。由于它們依賴于來自衛(wèi)星的高頻無線電信號，因此配備 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)的車輛可能會在短時間內(nèi)丟失 GPS 信號。通過適當(dāng)?shù)?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/2562/" target="_blank">算法，GPS可以與其他航向繪圖技術(shù)集成，為用戶提供持續(xù)準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息。

航位（演繹）推算是車輛導(dǎo)航中廣泛使用的一種方法。它利用三個不同的輸入來預(yù)測位置：一組起始坐標(biāo)、行進方向和行進速度。由于其相對定位方案，其精度受到限制;絕對位置誤差與行進距離成正比。非 GPS 車輛導(dǎo)航的其他方法包括地圖匹配、慣性導(dǎo)航和 Delta A 測量。地圖匹配基于以下原則：如果您在道路附近或與之平行行駛，則很有可能您確實在該道路上（在人口稠密的地區(qū)可能無法正常工作）。慣性導(dǎo)航依靠加速度計來推導(dǎo)出速度作為加速度的積分。在Delta A測量中，隨后從接收器恢復(fù)的GPS信號與來自非GPS系統(tǒng)的輸入相關(guān)聯(lián)。這種方法可以校正加速度計的不準(zhǔn)確性，例如噪聲和溫度/時間上的零g偏移。這些技術(shù)中的一種以上可以與GPS結(jié)合使用，以更準(zhǔn)確地顯示位置。

雖然使用汽車安裝的速度表會有所幫助，但會出現(xiàn)某些困難。通常，車速表信息不可用，因為它沒有總線傳輸?shù)桨l(fā)動機/ABS/穩(wěn)定性控制計算機之外的系統(tǒng)。由于在許多情況下它被認(rèn)為是“安全關(guān)鍵”的，因此速度表輸出不會連接到任何可能使總線癱瘓的東西。此外，GPS系統(tǒng)通常由第三方構(gòu)建，他們可能希望構(gòu)建具有廣泛潛在市場的通用產(chǎn)品。正是在此類應(yīng)用中，ADXL202雙軸加速度計可用于為導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)精確的速度估計。數(shù)字羅盤或陀螺儀與加速度計結(jié)合使用，以確定大致的行進方向。然后，導(dǎo)航系統(tǒng)（結(jié)合上述其他方法）轉(zhuǎn)換信息，以確定相對于信號丟失點的位置。

這里描述的確定速度的方法使用加速度計來感知前輪和后輪遇到道路顛簸（直行時）的時間間隔。無論是在當(dāng)?shù)氐缆愤€是高速公路上行駛，道路上總會有瑕疵。這些缺陷轉(zhuǎn)化為顛簸和顛簸，立即被汽車的車輪感知，最終被乘客感知。為了通過感應(yīng)這些顛簸來跟蹤速度，加速度計用于識別它們的幅度和時間。因此，對于具有給定軸距 （W） 的汽車，間隔 （T1） 對于兩個車軸遇到顛簸，可以使用以下等式計算汽車行駛的速度：（見圖 1。

速度 ［英里/小時］ = （W ［英尺］/T1 ［秒］） * （3600 秒/小時）/（5280 英尺/英里）。

速度 ［公里/小時］ = （W ［米］/T1 ［秒］） * （3600 秒/小時）/（1000 米/公里）。

示例數(shù)據(jù)日志

Mxx= 凸起幅度（占空比 %）

txx= 顛簸的瞬時時間（秒）

Tx= 兩個相關(guān)凸起之間的持續(xù)時間（秒）

S0= 前一個有效速度 （mph）

S1= 當(dāng)前計算速度（英里/小時）

圖1.速度測量的事件計時。

在記錄當(dāng)?shù)氐缆飞系湫托旭偲陂g的數(shù)據(jù)以開發(fā)實驗信息時，加速度計不容易區(qū)分汽車懸架系統(tǒng)中的反彈和振動以及由道路不規(guī)則引起的尖峰對。因此，需要一個過濾系統(tǒng)來隔離凸起。ADXL202EB-232評估板內(nèi)置軟件，可通過低通濾波對數(shù)據(jù)進行平滑處理。這提供了識別道路顛簸并在計算中使用它們的更好機會。這個問題解決了，就出現(xiàn)了一個相關(guān)性問題——例如，如果有兩個相似的顛簸相距不到一輛車的長度，那么很難理解汽車在短時間內(nèi)經(jīng)歷的四個總顛簸。因此，有必要提出一種算法來將數(shù)據(jù)點干凈地轉(zhuǎn)換為有效的速度表讀數(shù)。

如果加速度計放置在車軸之間的中間位置，X軸平行于地球表面并直接瞄準(zhǔn)地球表面，Y軸垂直于地球表面，則前輪和后輪產(chǎn)生的顛簸脈沖的大小大致相等（在一定程度上取決于車輛的懸架系統(tǒng)）。為了識別顛簸對，有必要進行幅度比較以匹配源自前后軸的顛簸。同時，必須將當(dāng)前表格速度與最后有效速度進行比較，以確定當(dāng)前計算的速度是否可行。例如，如果車輛在大約一秒鐘前以 25 英里/小時的速度行駛，那么當(dāng)前速度極不可能達到 45 英里/小時或更高。因此，通過使用時序和速度比較，任何沒有意義的輸出都將被合理化或忽略。

數(shù)據(jù)分析。ADXL202的數(shù)字輸出經(jīng)過占空比調(diào)制;導(dǎo)通時間與加速度成正比。50% 占空比（方波輸出）表示標(biāo)稱加速度為 0g;比例因子為每 g 加速度占空比變化±12.5%。這些標(biāo)稱值受器件初始容差的影響，包括零g失調(diào)誤差和靈敏度誤差。

在這里描述的應(yīng)用中，50%的占空比輸出對應(yīng)于完全平穩(wěn)的行駛——加速度計沒有檢測到顛簸或振動。一般來說，由于其懸架動力學(xué)，車輛在較低速度下對顛簸的反應(yīng)更靈敏。因此，對于較低的速度，需要降低對顛簸大小的敏感性（Mxx），閾值水平可以更高。小于閾值水平的量級將被視為無效數(shù)據(jù)，而高于閾值（有效量級）的量級將進入下一階段的過濾。

下一階段的目的是阻止兩個相鄰顛簸所暗示的不可行的速度，這兩個顛簸比車輛的軸距更近。為了解決這個問題，如果 S1與 S0 相比，（定義如下）超出了 20 mph/s 的一般加速限制，則數(shù)據(jù)集無效。但是，四個凸塊的配置可以通過配對第一個和第三個凸塊以及第二個和第四個凸塊轉(zhuǎn)換為合法速度（圖 2）。

圖2.X軸（前后），平行于地球表面

答：M01= 52.41%， t01= 135.862秒
B： M11= 52.15%， t11= 135.938s
C： M02 = 53.08%， t02 = 136.179s
D： M12= 51.66%，t12 = 136.242s

圖2顯示了ADXL202EB在以20 mph恒定速度行駛的汽車中記錄的最新數(shù)據(jù)。乍一看，似乎A和B是兩個相關(guān)的凸起，以及C和D。然而，t11– 噸01= 0.076 秒，換算成大約 81 英里/小時的速度。這將與使用Delta A測量方法的最后一個有效速度進行比較，并將否定A和B的相關(guān)性。然后 A 和 C 配對：t02– 噸01= 0.317 秒，B 和 D （0.304 秒）也是如此，它們分別轉(zhuǎn)化為大約 19.4 英里/小時和 20.2 英里/小時的速度。根據(jù)公式 1 和 9 英尺軸距，Tx對于 20 英里/小時等于 0.307 秒。這里的結(jié)果分別顯示3.2%和1%的差異。

這個簡單的解決方案處理最常見的錯誤讀數(shù)來源。但是，當(dāng)然還有許多其他凸塊配置可能會導(dǎo)致速度讀數(shù)錯誤。其中許多可以通過越來越聰明的算法和信號調(diào)理來解決，但最終，人們必須意識到，這種計算是替代GPS信號暫時丟失的系統(tǒng)的一部分，旨在在短時間內(nèi)保持合理的精度。

哪個軸？可以考慮使用 X 軸或 Y 軸（或兩者）作為加速度數(shù)據(jù)來測量道路上的顛簸。Y軸（垂直）測量實際大小，由汽車的懸架系統(tǒng)動力學(xué)修改（并且經(jīng)?；煜?，而X軸測量汽車經(jīng)過顛簸時前后加速度分量（加速度計交叉軸）的大小。

第一種方法（圖3）測量Y軸加速度（垂直于地球表面）。在沒有顛簸的情況下，測量值將為1 g，由地球的靜態(tài)引力確定。標(biāo)稱 62.5% 輸出 （50% + 12.5%/g） 可以偏移為 50%，作為正或負(fù)垂直撓曲力的起點。

第二種方法（如圖2所示）使用X軸（平行于地球表面）來測量前后加速度。在無顛簸的情況下，測量值將為 0 g。由于汽車的運動受到顛簸的影響，而加速度計會拾取 Y 軸加速度峰值，該峰值被汽車的懸架系統(tǒng)強烈過濾。同時，由于顛簸引起的前后運動（以及加速度計的跨軸靈敏度），X軸還拾取了該加速度峰值中更小但“更干凈”的前向分量。在試運行期間，后一種方法（圖2）給出了更好的結(jié)果。

這種方法有助于過濾掉不需要的噪音。此外，在圖 3 中可以看到，在遇到顛簸時，加速度的垂直分量往往顯示出相當(dāng)?shù)偷淖枘嵯禂?shù)。依靠前后運動可以克服這些復(fù)雜性。

圖3.Y（垂直）軸，垂直于地球表面。

本文所述的試驗是在個人計算機上使用ADXL202EB-232評估板和Crossbow軟件進行的。以下是該過程及其流程圖的分步說明（圖 4）。

將ADXL202EB-232連接到串行電纜，然后連接到計算機的RS-232端口。

打開Crossbow提供的軟件程序X-Analyze。

單擊“添加連接”，然后選擇“COM1上的ADXL202-EB-232A”。

點擊“配置連接”;然后點擊“校準(zhǔn)”。

要進行校準(zhǔn)，請按住 XY 平面垂直于地面的電路板，然后將電路板圍繞該平面旋轉(zhuǎn) 360 度。

選擇更新速率盡可能快，記錄速率為50 Hz;選擇過濾速率為 1。

選擇日志記錄文件夾;這是保存.txt日志文件的位置。

點擊“保存并退出”。

將電路板安裝/連接到車輛上，Y 軸朝向車輛底部，X 軸正前方。確保電路板安裝牢固，以便在顛簸時不會相對于車身移動。

準(zhǔn)備好記錄數(shù)據(jù)時單擊“記錄所有連接”。

記錄數(shù)據(jù)后，相同的按鈕用于“停止日志記錄”。

打開.txt文件并復(fù)制并粘貼到Excel上以創(chuàng)建圖表/圖形。

圖4.計算流程圖。

審核編輯：郭婷