三轴转台标定加速度传感器.docx

基于三轴转台的ADXL335加速度传感器标定实验实验目的熟练使用SGT320E型三轴多功能转台，掌握传感器测量和采集的方法掌握卡尔曼滤波课程的传感器三参数标定原理实验器材实验室具备“SGT320E型三轴多功能转台”实验设备实验室具备ADXL335加速度传感器安捷伦数据采集卡、笔记本电脑、MATLAB软件等。实验原理三轴转台部分静态测试：此实验基础以“SGT320E型三轴多功能转台”为平台，在三轴转台内框夹具上安装“ADXL335加速度传感器”进行测试，由三轴转台内框0°作为初始位置，内框旋转180°，每隔2°采集一次数据。将90个数据按照最小二乘法滤波，在Matlab中计算出标定传感器所需要的三个误差参数：Bias（零偏）、Scale Factor error（刻度系数误差）、g-sensitive drift（作用在转感器敏感轴上的加速度引起的g相关零偏）。加速度传感器三个误差参数标定原理部分在理想状态下，加速度计敏感轴被放置于垂直地面方向，则读数应为g，当敏感轴与重力加速度方向存在一个夹角时，读数应为。但事实上，加速度计是存在误差。如果为了简化变量，忽略加速度计本身噪声，那加速度计的输出可以包括重力部分（）、零偏值（Bias）、刻度因素误差（）、敏感轴偏移误差（），因此加速度传感器的输出表达式为：那么误差表达式为：因此，标定传感器就需要求出、、三个参数。如果将Error当作测量模型，将当作，则测量方程表达式为：因为测量方程是二阶的，用最小二乘法滤波方法中的二阶多项式代替：其中参数、、分别对应误差测量方程中的、、，数值由最小二乘法的二阶多项式参数矩阵确定，矩阵表示形式为：通过计算这一矩阵，求得标定传感器所需的三个误差参数、、。如图1，为利用最小二乘法滤波，计算标定参数的程序流程图：ADXL335加速度传感器部分ADXL335是一款小尺寸、薄型、低功耗、完整的三轴加速度计，提供经过信号调理的电压输出，能以最小±3g的满量程范围测量加速度。它可以测量倾斜检测应用中的静态重力加速度，以及运动、冲击或振动导致的动态加速度。ADXL335的输出为电平输出，需转化成加速度值和角度值。由芯片手册可知，ADXL335的参考电压Vs为3.3V，满量程为±3g可以得到，输出电压值与加速度值之间的关系式为：所得加速度值为敏感轴方向上的加速度，在静止的条件下，该加速度方向与重力加速度夹角如图2所示：由图可知夹角与之间的关系为：利用上述关系式，可得到输出电压值对应的夹角。实验步骤实验准备：三轴转台启动过程确定安装及连线，整体检查确定无误后通电；启动转台控制软件，选择负载范围0-10kg；三轴转台控制系统上电；三轴转台控制系统闭合；三轴转台内框归零；选择位置方式，在此方式下，转台内框转动的角加速度为0，符合静态实验原则。设置位置参数为180°，设置速度参数为1°/s。速度设置为1°/s，是为了保证第一个采样点（即转台输出2°时采样点）加速度接近0，保证数据符合静态实验原则。转台运行；数据采样记录，记录下转台内框输出为0°、2°、4°……178°、180°时，加速度传感器输出电平值，利用实验原理3所述处理，得到各采样点对应值；利用实验原理2所述，在matlab下进行计算，得出三个误差系数的值。实验结果1、根据实验步骤8，求得的采样点值与三轴转台理论之间的误差情况如图3所示：图3 测量误差情况分布图由图中可以看到前20个（即0-40°）和后20个（即140-180°）有较大误差，是由于在这两个范围内角度余弦值变化不大，加速度传感器输出电压变化小，使得测量结果产生较大误差。根据步骤9，在matlab下进行计算，得出三个误差系数的值为下表初始值0.000308Ft/Sec4.51*10^(-6)4.082*10^(-8)计算结果0.000931Ft/Sec0.121*10^(-5)0.979*10^(-8)表1 三个误差系数表初始值为ADXL335芯片说明书中给出的加速度传感器三个系数的参考值。对比发现有略微不同，其主要原因在于：实验时，加速度传感器安装在三轴转台内框上，传感器与内框存在一个间隙，造成采样误差。采集时无法准确读取转台内框旋转特定角度所对应的电压值，而是在采样一个邻域区间内取平均值得出的采样数据。实验本身为简化模型而忽略了加速度计本身存在的噪声误差，此部分误差没有被考虑在内。总结经过本次实验设计与操作，熟练了对SGT320E型三轴多功能转台的使用，掌握了传感器ADXL335的测量方法，同时熟悉了课程所教授的通过最小二乘法滤波的计算步骤，掌握了滤波估计真值的原理，并实验验证加深理解。基于三轴转台的ADXL335加速度计标定农业机械的自动导航控制与变量作业实施中，实时检测与获取农业机械的姿态角对农业机械精确导航及变量作业控制具有重要意义。对物体姿态角