利用加速度計和陀螺儀測量車輛運動

當測試車輛時，人們常常需要測量車輛的動態運動以及車輛相對於道路的傾角。我們可以通過加速度計來獲得車輛轉彎、加速或者制動時產生的衝擊力，但是，除非車輛在進行上述運動時保持水平，否側測試結果是不準確的。比如，你想用加速度計測量車輛的制動力，但車輛是向前傾斜的，測量結果中就會有重力分量。

大多數傾斜傳感器把重力方向當作參考方向。重力是一種加速度，並且不斷變化（應該是隨高度變化吧）。制動、加速和轉彎時，車輛會產生加速度。然而當進行傾斜測量時，我們只需要得到重力加速度；當進行車輛動力測量時，卻又只想得到運動加速度。

有運動加速度時，傾斜傳感器將得到一個不準確的傾角。也就是說，在車輛傾斜時只通過加速度計將無法得到準確的傾角。

通過測量繞車輛重心的旋轉，陀螺儀有助於糾正車倆向前傾斜帶來的不利影響。不幸的是，陀螺儀有其自身的缺陷。它測量旋轉速度，不是旋轉角度，通過不斷積分得到角度。當旋轉速度的測量出現偏差，積分後所得的角度將會有很大的偏差。但是，你可以結合角速度值和加速度值，計算出車輛動態運動時的精確數據。角速度和加速度的缺點可以相互彌補。當擁有足夠強的計算能力，我們就可以得到實時的加速度和角度的精確值。

要實現這一點，你需要測量沿三個軸的加速度和角速度。於是我們沿著車身安裝了三軸加速度計，和與值對應的三軸陀螺儀。見圖1。如果可能，傳感器最好安裝在車輛重心，儘量減少旋轉加速度對測量帶來的不利影響。

圖1 車輛各軸上的傳感器

我們可以用陀螺儀測量車輛繞給定軸的旋轉。如果一直對角速度積分，將會得到角度關於時間的函數。例如，您可以使用陀螺儀來跟蹤車輛沿著X和Y軸的旋轉，然後對傳感器信號積分，計算出車輛俯仰角和翻滾角。這是一個關於時間的函數。根據這個計算得到的俯仰角和翻滾角，從加速度傳感器信號中減去由於傾斜帶來的重力分量，最終得到運動加速度。

要得到可靠的俯仰角和翻滾角，你必須對角速度信號積分。結果是，角速度信號的偏差，會造成角度的偏差，並且隨時間線性增加。此外，陀螺儀的隨機噪聲會導致計算角度的隨機波動，這種波動使得角度以與時間的平方根成正比的速度漂移。這些影響將限制昂貴的陀螺儀在超過幾分鐘測量時的應用。

幸運的是，我們可以利用陀螺儀短時測量準確的優勢和加速度計長時穩定的特點，兩者結合，得到即能短時穩定又能長時穩定的傾角。用陀螺儀測量短時內角度變化，把加速度傳感器當做傾角傳感器測量傾角，並在一個長時間範圍內，迫使陀螺儀得到的傾角慢慢匹配加速度傳感器得到的傾角。

要執行這些操作，需要有傳感器，以及數據採集和處理設備。我們使用一個三軸加速度計和（三個）3軸陀螺儀。不管沿哪個方向，你都需要以能測量車輛完整運動的目的來安裝這些傳感器。還可以添加一個溫度傳感器，用其採集的數據補償溫度對加速度計和陀螺儀輸出的影響。然後將傳感器信號數位化，並輸入計算機或存儲器。

可以使用電腦對得到的數據進行計算。但是，如果想看到實時的計算結果，那得需要一臺數位訊號處理器（DSP），作為信號採集設備之一。然後，將計算得到的角度數據、已修正的加速度和角速度信息用數據線傳送到電腦。如果發送的是二進位數據包，工作在38.4K波特率的串行RS-232數據線應該滿足超過200Hz的傳輸速率。這大大快於陀螺儀的帶寬。

儘量把傳感器安裝在靠近車輛運動中心的地方。否側旋轉產生的離心力將會被加速度計測量。請注意，我們使用加速度計只是測量車輛重心的線性加速度，所以要儘量減少旋轉運動對加速度測量的耦合。