陀螺仪角速度的检测与处理

1、58 传感器与微系统(T ransducer and M icrosystem T echnolog i es 2006年第25卷第4期陀螺仪角速度的检测与处理1222*陈 亮, 黄玉美, 林义忠, 史恩秀, 高 峰2(1. 煤炭科学研究总院西安分院, 陕西西安710054;2. 西安理工大学机械制造及自动化系, 陕西西安710048摘 要:对陀螺仪测量自动导航小车的角速度进行了理论分析, 并对其角速度的采集作出了说明。针对陀螺仪采集自动导航小车瞬时角速度值时噪声信号往往淹没真实的角速度, 对提取自动导航小车的真实角速度提出了几种方案, 并通过实验证明其可行性。对小车角速度为45b /s时做了

2、2种滤波, 实验证明:2种算法有效地滤去噪声信号, 大大降低了淹没角速度的范围。关键词:陀螺仪; 自动导航小车; 角速度采集; 噪声信号; 数字滤波中图分类号:TP206+.1 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2006 04-0058-02M eas uring and processi ng of t he gyroscope . s*angular velocityC H E N Liang , HUANG Yu -m e i , LI N Y -i zhong , S H I En -x i u , GAO Feng12222(1. X i . an B ranch of

3、Ch i na Coal Research Institu te , X i . an 710054, Ch i na ; 2. Depart m en t of M echan icM anufac turing and Au to mat i on , X i . an Un i versity of Techno l ogy ,X i . an 710048, Ch i n aAbstract :A na l y zi ng the autom ated guided veh i c le(AGV angular ve l oc ity m easured by gy roscope f

4、or the t heroy and deta ili ng to t he angu lar ve l oc ity sa m pli ng . W hen the i nstantaneous angular speed va l ue o f the AGV is gathe red by the gy roscope , t he no ise si gnal often fl oods the true speed . Several k i nds of sche m es i n dra w i ng the true angular speed of t he AGV are

5、proposed . Exper i m ent s how s its f eas i bility is proved . Two k i nds filtrati on o f AGV when it s ' angu lar ve locity is 45b /s is m ade . T he exper i m ent show s t he t wo filtration a l go rith m s filte red the no ise signa l effec tive l y , and reduced t he range o f the fl ooded

6、 angular ve l oc ity greatl y . K ey word s :gyroscope ; auto m ated gu i ded vehicle(AGV ; angular veloc it y detec ting ; no ise signa; l dig ital filter0 引 言自动导航小车(automa ted gu i ded v eh i c l e , AGV 控制的关键是对其位置、姿态的确定和推算。目前, 对姿态测量常用方法之一是用陀螺仪测得其瞬时角速度, 然后, 进行数字积分, 进而得到车体的方位角。但是, 在实际使用过程中, 突出的问题是噪

7、声对陀螺仪输出有很大的影响, 给后续控制AGV 带来很大的障碍。当前处理噪声的方法主要有硬件除噪和软件除噪。硬件除噪要考虑电路的可靠性、稳定性, 且要追加成本。软件除噪则较为灵活, 成本较低, 被广泛采用1。本文就是通过2种软件滤波的方法对噪声信号进行处理。通过实验证明:这2种滤波方法可以有效地滤去噪声信号。1 压电陀螺仪测量原理本实验室采用的是CS61B-3压电陀螺仪。它是由敏感器件和电子线路两部分组成的, 敏感器件是一根贴有压收稿日期:2005-11-25*(图1 陀螺仪原理F i g 1 P ri nci ple s he m e of gyro s cope电晶体的金属梁, 其工作原理

8、如图1所示, 驱动电路使梁在Y 轴方向做如下振动, 即Y (t =Y 0s i n f c t ,式中 f c 为驱动频率, H z ; Y 0为振幅, m 。(1第4期 陈 亮等:陀螺仪角速度的检测与处理 59 当有绕Z 轴角速度X z (rad /s 输入时, X 轴方向上的一对压电片受惯性力(哥氏力 作用而使梁在该方向产生振动X (t =A cos (X z t -5c , 式中 A =X c (1-2X 0#X zf f c 2+(00f2c 0的额定转速为49. 8b /s , 在此, 仅做到? 45b /s 。在计算机1上通过VC 程序采集到工作台在不同转速下的陀螺仪角速度(A /

9、D转换值 。在每个转速下都采集(25c =tan -17组数据, 每组数据大约200个值。3 实验结果上位机通过串口用VC 程序读PMA C2的A /D转换值, 并保存数据文件。通过MA TLAB 读取数据文件, 对其绘图, 发现其中的噪声信号很大, 淹没了真实的角速度值。采用了2种方法对数据进行处理:一种是防抖动滤波法2, 另一种是低通数字滤波法3。(1 防抖动法对10个采样值, 去掉其中的最大值和最小值, 对其余的数值取其平均值, 这样, 就能够将明显的噪声信号滤掉;(2 低通数字滤波法采用低通数字滤波器, 并合理选取时间常数(通过实验确定, 本文取T 1=0. 4 就可以获得光滑平稳的输

10、出信号, 从而实现了去除干扰信号的目的。表1为未滤波值、防抖动滤波值和低通数字滤波值的比较。可以看出:虽然均值变化不大, 但是, 方差和范围明显减小, 这样, 就滤去了干扰信号。表1 对比滤波结果Tab 1 R es ult of contrast filtra ti on滤波方法未滤波防抖滤波低通滤波最小值(b /s42. 54044. 65044. 100最大值(b /s47. 11045. 64045. 960均值(b /s45. 00044. 87044. 960方差(b /s20. 79740. 31250. 3088范围(b /s4. 5700. 9891. 860f c f 0,

11、 f 0为输出轴的谐振频率, H z ; Q 0为机械品2Q 0(f 20-f c 质因数。由于压电效应, 在输出轴方向的压电片上出现与该方向梁的位移X (t 成正比的输出电压。由式(1 、式(2 可知, 输出电压与振动输入的最大振幅X 0及输入角速度X z 成比例, 同时是振动轴和输出轴谐振频率的函数。对于满足一定技术指标的压电陀螺, 梁的X 0, X c 及其Q 0恒定。X 0亦可以由电路保证为一恒定值。因此, 输出电压仅与输入角速度成线性关系。由于驱动电路对敏感器件的作用, 梁产生一定频率和振幅的振动, 当梁的敏感方向上有角速度输入时, 读出放大器将读出换能器(压电片 上的信号加以放大,

12、 经过解调器解调, 便可以检测出由惯性力引起的信号, 获得与输入角速度成正比的电压信号。为了改善陀螺的动态响应特性, 加阻尼电路, 对外电源进行稳压。2 角速度采集硬件设计如图2所示, 被标定的陀螺仪安装在回转工作台上, 回转工作台是由计算机2的可编程多轴运动控制卡(pro -g ramm ab l e mu ti-l ax ises contro ller , P M AC 来控制实现工作台的回转运动, 使工作台以不同的角速度运动, 由于陀螺仪和工作台安装在一起 , 它们具有相同的角速度。计算机1通过P M AC2的A /D转换器附件读得陀螺仪的角速度输出值(数字值 。4 结 论通过这2种滤

13、波算法(软件除噪 可以在很大程度上滤去高频信号(噪声 。为得到较准确的角速度值, 并精确地控制AGV 做好了准备。从实验结果可以看出:2种滤波算法可行, 且具有实际意义。参考文献:1 雷 霖. 微机自动检测与系统设计M.北京:电子工业出版图2 测量系统框图F i g 2 B l ock d i agram o fm ea s ure m ent s y ste m社, 2003. 238-268.2 李 伟, 张桂春, 范学平, 等. 几种数字滤波器的实用性研究J.山东建筑工程学报, 1994, 9(1:9-10.3 覃 霖, 赵锡钧. 航天飞行体自旋角速度的测量J.传感器技术, 2001, 20(11:38-40.陀螺仪的最大角速度为180b /s , P M AC 的A /D转换器是12位(满量程为? 10V 而陀螺仪的输出为? 5V, 所以, 它的输出数字量为-