馮賢超，趙祚喜，可欣榮，胡 煉

（1.鶴山市長安機動車檢測站 廣東 鶴山 529700；2.華南農(nóng)業(yè)大學工程學院 南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室，廣東 廣州 510642）

汽車方向盤自由轉(zhuǎn)動量必須合適，過大會造成轉(zhuǎn)向不靈敏，過小會造成轉(zhuǎn)向過于靈敏容易造成失控。GB7258-2012《機動車運行安全技術(shù)條件》6.4規(guī)定：1）最大設(shè)計車速大于等于100 km/h的機動車應(yīng)小于等于15°；2）三輪汽車應(yīng)小于35°；3）其他機動車小于等于 25°[1]。目前方向盤自由轉(zhuǎn)動量測量方面主要通過編碼盤測量，如ZL-1L型設(shè)備等，這類測量儀體積大、安裝不便。文中旨在通過ADIS16300傳感器和cortex-M3處理器，設(shè)計一種輕便、高精度且低成本的汽車方向盤自由轉(zhuǎn)動量測量系統(tǒng)。

1 慣性傳感器ADIS16300

1.1 ADIS16300功能介紹

ADIS16300 MEMS傳感器是Analog Devices生產(chǎn)的三軸加速度計和單軸陀螺儀集成慣性測量元件，工作溫度范圍為-40～+85℃，工作電壓為 4.75～5.25 V。 可在±180°的全向范圍內(nèi)精確測量俯仰角和滾動角。傳感器經(jīng)過全面校準和測試，可保證三個軸高度對齊，并在整個運動范圍內(nèi)實現(xiàn)0.1°的傾斜測量精度，且不受安裝方向的影響[2]。ADIS16300采用23 mm×31 mm×7.5 mm模塊封裝，結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便。

1.2 ADIS16300數(shù)據(jù)讀取

ADIS16300具有自校正功能，傳感器測量將原始信號經(jīng)過校準和數(shù)字信號處理后存入輸出寄存器供外部器件經(jīng)SPI接口讀取。每個采樣周期結(jié)束后，傳感器測量結(jié)果存放至輸出寄存器，并且DIO1引腳向器件外產(chǎn)生一個脈沖，表示一個完整的新慣性測量數(shù)據(jù)已經(jīng)采集準備好，可供外部SPI主控器讀取。從SPI總線上讀取到的傳感器數(shù)據(jù)是二進制數(shù)據(jù)或二進制補碼形式的數(shù)據(jù)，需要進行解讀才能得到實際輸出數(shù)值。傳感器輸出的各個值代表的意義可在ADIS16300數(shù)據(jù)手冊中的Out Put Register Format查詢[2]，并通過以下公式進行解算：

式中的DATA_Value為寄存器輸出的數(shù)據(jù)；Value為轉(zhuǎn)換后實際的測量量的值；Scale為寄存器值最小值代表的最小單位；n為對應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)位數(shù)。

2 方向盤轉(zhuǎn)動量測量原理

ADIS16300能夠測量包括Z軸的轉(zhuǎn)動角速度、XYZ三軸的加速度等運動參數(shù)。其測量傾角的基本原理是利用重力加速度與其在加速度傳感器測量軸上的加速度分量，通過三角函數(shù)關(guān)系，求得傳感器的傾斜角度。測量的前提條件是保證測量動作平緩，即不要讓ADIS16300受到運動加速度影響。

2.1 單軸傾角測量方法

從圖1可以知道，當傳感器排放到如圖 1（a）所示位置時，X軸向加速度分量與重力加速度的關(guān)系為：

圖1 單軸測量方式Fig.1 Single axis measurement

式中的ax為重力加速度在X軸方向的加速度分量，1g重力加速度，由此可得出傾角為ax和重力加速度1g比值的反正弦，即：

由正弦曲線特性易知，單軸測量傾角的方法在-45°～45°之間具有良好的精度，但超過這個范圍之外的測量精度下降（正弦曲線斜率變小），且單軸測量方式無法做到360°全范圍的傾角測量[5]。

2.2 雙軸傾角測量方法

在雙軸傾角測量方式中，采用兩個互相垂直的X/Y軸軸向加速度分量，且將傳感器保持在一個固定的平面上，如圖2（a）中位置。則根據(jù)X軸和Y軸方向的重力加速分量互相垂直的關(guān)系，得到式（4）的關(guān)系：

圖2 雙軸測量方式Fig.2 Biaxial measurement

式中的ax與ay分別為傳感器通過測量所得到的分量值，因而可以得到傳感器在XY平面的傾角為：

這樣，從式（5）得到雙軸傾角測量方式在360°范圍都可以得到比較高的測量精度 （需要根據(jù)二個測量分量確定象限），并且可以分辨全圓周內(nèi)任何角度，從而解決測量過程中的翻轉(zhuǎn)問題。

2.3 方向盤自由轉(zhuǎn)動量的測量原理

如圖3（a）所示為方向盤坐標分析，因為汽車轉(zhuǎn)向系要求駕駛員在轉(zhuǎn)動方向盤時能有直觀連續(xù)的反饋和穩(wěn)定的輸出，所以汽車方向盤會繞著固定角度的傳動軸Z軸轉(zhuǎn)動[7]，在轉(zhuǎn)動過程中方向盤所在的XY平面與傳動軸始終保持垂直。

如圖3（b）示，根據(jù)方向盤的結(jié)構(gòu)特點，方向盤自由轉(zhuǎn)動量可通過測量方向盤自由轉(zhuǎn)動過程中，到達左右極限點t1、t2時的方向盤轉(zhuǎn)動傾角 θ1和 θ2，再通過公式（6）計算得出方向盤自由轉(zhuǎn)動量θ：

圖3 方向盤自由轉(zhuǎn)動量測量分析Fig.3 Free rotation measurement analysis

3 方向盤自由轉(zhuǎn)量測量系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)通過ST公司的STMF103VBT6處理器與ADIS16300組建方向盤轉(zhuǎn)動量測量系統(tǒng)。其中STMF103VBT6是一款高性能低成本的32位cortex-M3內(nèi)核微處理器，有豐富的外設(shè)功能，包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換（DAC），串口通信（USART）、CAN總線和同步串行接口 （SPI）等[4]，功能強大。

ADIS16300內(nèi)置的SPI通信接口可以實現(xiàn)與STMF103 VBT6處理器硬件通信，硬件連接如圖4所示。

圖4 STMF103VBT6與ADIS16300的SPI總線連接圖Fig.4 The SPI bus connection diagram

方向盤自由轉(zhuǎn)動量測量系統(tǒng)能根據(jù)ADIS16300數(shù)據(jù)迸發(fā)模式[9]，使處理器在連續(xù)的10個時鐘周期內(nèi)通過ADIS16300的DOUT引腳讀取陀螺儀數(shù)據(jù)、XYZ軸數(shù)據(jù)和環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)，并通過CAN總線通信協(xié)議把所有數(shù)據(jù)輸出上位機上顯示出來。

3.2 軟件設(shè)計

如圖5所示，程序啟動首先進入系統(tǒng)初始化，接著系統(tǒng)對ADIS16300寫工作指令，設(shè)置ADIS16300的工作模式，然后系統(tǒng)等待接收信號標志，通過SPI總線接收傳感器發(fā)出的原始數(shù)據(jù)并進行解讀出當前傾角值，最后通過CAN總線將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)至上位機。

圖5 系統(tǒng)軟件流程框圖Fig.5 Flow chart the software design

4 實驗數(shù)據(jù)結(jié)果

選用經(jīng)過標定的ZL-1L型方向盤轉(zhuǎn)動角度測量儀作為方向盤自由轉(zhuǎn)動量測量對照。實驗開始之前先對方向盤調(diào)中位，安裝好ZL-1L型設(shè)備于方向盤上，再將ZL-1L型設(shè)備與ADIS16300固定在同一平臺上，如圖6所示。

圖6 ZL-1L型設(shè)備與ADIS16300安裝實物圖Fig.6 ZL-1L and ADIS16300 installation

ADIS16300的XY平面與ZL-1L型設(shè)備的測量平面平行，ZL-1L型設(shè)備的測量轉(zhuǎn)動軸與ADIS16300的Z軸平行。使用ZL-1L型設(shè)備往左施加5個單位扭矩使得方向盤轉(zhuǎn)至左自由極限并記錄轉(zhuǎn)動角θ1，再往右施加5個單位扭矩使得方向盤轉(zhuǎn)至右自由極限并記錄轉(zhuǎn)動角θ2，按照公式（6）解算出方向盤的轉(zhuǎn)動量θ，將系統(tǒng)解讀的當前轉(zhuǎn)動量θ和ZL-1L型設(shè)備輸出數(shù)據(jù)的結(jié)果對比，如圖7（a）示。

圖7 方向盤轉(zhuǎn)動量測量系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)對比圖Fig.7 The measurement data comparison

從圖7（a）中可以看出，方向盤轉(zhuǎn)動量測量系統(tǒng)輸出的方向盤轉(zhuǎn)角測量值與ZL-1L型設(shè)備輸出轉(zhuǎn)動值趨勢基本吻合，其中通過ADIS16300求解出自由轉(zhuǎn)動量平均值為35.43°，ZL-1L型設(shè)備的均值為35.62°，但是ADIS16300輸出數(shù)據(jù)的波動較少。實驗中分別進行了多組數(shù)據(jù)的測量，普遍存在：均值和趨勢基本一致，但ZL-1L型設(shè)備輸出數(shù)據(jù)波動較大的情況。主要原因分析：ZL-1L型設(shè)備使用編碼盤作為角度測量傳感器，測量精度為±2°[8]，本系統(tǒng)使用的ADIS16300傳感器通過測量重力加速度在XY軸分量求解角度的方式進行測量，這種方式測量精度相對較高，所以在靜態(tài)測量中結(jié)果波動相對較小。但方向盤轉(zhuǎn)動量測量系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)還是有一定的噪聲的，濾波處理可以得到更好的結(jié)果，ADIS16300內(nèi)部有可編程的低通濾波器，可以方便地實現(xiàn)這一個功能，如圖（b）示。

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)是在靜止狀態(tài)下測得的方向盤轉(zhuǎn)動量通過跟經(jīng)標定的ZL-1L型設(shè)備進行對比，從數(shù)據(jù)上看是達到高精度測量的要求，而且結(jié)構(gòu)相對更簡單，達到設(shè)計的目的。

通過ADIS16300內(nèi)置的低通濾波器實現(xiàn)方向盤轉(zhuǎn)動量測量系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的平滑化，數(shù)據(jù)輸出更加穩(wěn)定。

[1]機動車運行安全技術(shù)條件．GB7258．[S]2012.

[2]AnalogDevices，INC.ADIS16300datasheet.（2009-04）.http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheet/Adis16300.pdf.

[3]陳永冰，鐘斌.慣性導航原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[4]STMicroelectronics，INC.STM32F103X6datasheet.[2004-11].http://www.st.com/stonline/products/literature/ds/13587.pdf.

[5]白占元，徐皚東.基于MEMS的傾角測量儀設(shè)計[J].儀器儀表學報，2007（8）:16-18.BAI Zhan-yuan，XU Ai-dong.Design of tilt-meter based on MEMS[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2007（8）:16-18.

[6]郝騫，馮敦超.基于MEMS傳感器技術(shù)的傾角測量儀設(shè)計[J]．電子測試，2013（5）:12-13.HAOQian，F(xiàn)ENGDun-chao.Designoftiltmeasuringinstrument based on MEMS sensor technology[J].Electronic Test，2013（5）:12-13.

[7]周一鳴主編.汽車拖拉機學:汽車拖拉機理論[M].北京:中國農(nóng)業(yè)大學出版社，2000.

[8]淄博科創(chuàng)電子有限公司．ZL-1L型方向盤轉(zhuǎn)動角度測量儀說明書[S].2010.

[9]胡煉，趙祚喜.ADIS16300四自由度IMU在姿態(tài)測量中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程，2010（7）:103-106.HU lian，ZHAO zuo-xi.4DoF IMU ADIS16300 and its application in attitude measurement[J].Electronic Design Engineering，2010（7）:103-106.