基于MEMS组合模块的姿态检测系统设计
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为了方便调整传感器安装位置和角度，在硬件设计时采用了模块化思想，将加速度计和陀螺仪设计在一块独立的小电路板上，并使加速度计的X敏感轴正方向指向被测平台的水平向前方向，而陀螺仪的旋转敏感轴则需要垂直于加速度计的X轴且平行于加速度计的Y轴进行安装。系统通过预留数据端口外接LCD液晶显示屏，可以经过简单编程直接将姿态数据显示出来。系统的电源由一只7．5 V可充电电池提供，并由L7805构成的稳压电路转换成稳定的5 V电源为整个系统供电。采用4 MHz晶振提供系统时钟。系统简化原理图如图8所示。本文引用地址：https://www.eepw.com.cn/article/194995.htm
3．2 软件设计
PIC16F877中自带一个10位精度的模／数转换(ADC)模块，支持8路模拟转换通道。对于本系统中的加速度计和陀螺仪，其10位模／数转换模块的分辨率完全可以达到系统所需的精度要求。根据系统时钟频率和模／数转换(ADC)模块转换时间，选择1／8时钟频率作为模／数转换时钟，分别由AN0、AN1、AN2通道采集加速度计和陀螺仪的模拟量信号。由于陀螺仪的采样结果在后续的信号处理中需要进行积分处理，所以要求模／数转换模块的每次采样间隔时间尽可能相等，以保证后续运算的准确性。在PIC16F877中的CCP2模块设置为特殊事件触发模式时，配合计时器1，可以实现对模／数转换模块的定时中断开启功能。在使用特殊事件触发启动模／数转换时，需要注意几个细节方面的处理方能得到准确的模／数转换结果：首先，在模／数转换模块初始化时，需要将ADCONO寄存器中的ADON位置1，否则即使在特殊事件触发后也不能启动模／数转换；其次，在通过AN0、AN1、AN2三个模拟通道相互切换实现对加速度计和陀螺仪的采样过程中，需要使用ADIF中断响应来获取模／数转换的结果并进行通道切换，在通道切换后，必须保证在下一次模／数转换模块触发来临之前有足够的采样时间。根据对整个系统需求的综合分析，将CCP2的触发采样周期设为5 ms。中断程序流程如图9所示。
4 系统测试
实验是在25℃室内环境下进行测试的。首先将本姿态测量系统固定安装在两轮自平衡电动车车体上，再将两轮自平衡车的电机上电运行以提供一种强震动干扰环境。表2是将两轮自平衡车车体分别固定在0°、30°、45°三个位置进行测量的数据。
从测量结果可以看出，随着角度增大，由于MEMS器件的非线性因素导致误差有所增大，但在0°到30°之间误差保持在50’以内，误差精度完全可以满足两轮自平衡电动车的控制要求。数据显示，测量数据的数值普遍比真实值偏大，这是由于被测试平台安装的初始角度比真实零初始角度偏大造成的，在对初始安装位置进行校正后会进一步缩小误差。为了达到更高精度，除了在初始安装时对初始位置进行校正外，还需要对MEMS器件进行更精确的标定和合适的温度补偿。
5 结论
文中构造了满足本系统要求的数据融合模型，利用Matlab工具验证了该模型的合理性和有效性，并设计了本姿态测量系统的硬件电路。实验测试表明，误差精度完全可以满足两轮自平衡电动车的平衡控制的需求。本姿态测量系统除了具有很好的抗干扰性能，还具有很好的可移植性，既可外接LCD显示器构成独立的姿态测量系统，也可为其他平台提供实时准确的姿态数据，通过简单的软件扩展还可以提供角速度、角加速度等姿态参数的测量。
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