采用微機械傾角傳感器構成前端敏感電路，采用數字信號電路構成數字信號電路。完成了傾角電壓信號的提取、卡爾曼數字濾波算法、零漂移抑制和全向信號合成，載波可以實現任意偏航方向(0。~ 360 .)較低的全平方傾角測量。采用卡爾曼數字濾波算法對傾斜信號進行處理，并利用仿真軟件對傾斜信號進行降噪和抑制波動。針對系統的零漂移問題，設計了一種軟件算法來跟蹤零漂移并消除零誤差。結果表明，-z和y軸的穩定性分別提高了10個百分點。9倍、5倍和12.75倍，滿足非線性度要求。

0引言

       慣性技術是利用牛頓經典力學和現代物理原理來測量和控制運動物體的姿態和軌跡的一種應用技術。主要研究內容包括慣性表、慣性系統、慣性導航、慣性制導、慣性測量等。慣性傳感器是制導、導航和武器對準系統的核心部件。傾角傳感器作為一種可居住性裝置被廣泛應用。在軍事上，主要應用于高精度車載雷達自動調平系統、坦克火控系統等領域。在民用方面，主要用于鉆井勘探、探井、交通軌道測量、大地測量、大壩、地震監測等。

       目前，一般采用加速度計的角度測量方法來測量角度傾斜角度。測量原理是基于對重力方向的靈敏度，在加速度計的兩個軸上測量重力加速度度的分量。從角度確定加速度計的傾斜角。傾角傳感器具有精度高、性能穩定、可靠性高、使用方便等特點。在實際應用中，需要使用傾角傳感器來保證被測載體在任何方向發生偏轉時都能準確地傳輸傾角信號。這對船舶姿態控制和浮標控制具有重要意義。

      本文選用兩臺高精度微型機械(M E M S)單軸傾斜傳感器SCA 103t - d04作為傳感元件，并將其垂直放置。對原始傾角信號進行濾波、零漂移抑制處理和全方傾角信號合成，得到全方傾角測量結果。其中，利用計算機軟件對卡爾曼數字濾波和零跟蹤算法進行了研究，并結合MLB對數字濾波算法進行了仿真。

1結構原理

1.1全方位測量原理

       單軸傾斜傳感器對物體在水平面上沿指定水平軸旋轉的傾斜角很敏感。然而，載體的傾斜可以是圍繞水平面(水平0)的任何方位角。~ 360)。因此，需要傳感器能夠檢測到載體在任何偏差角度下的傾斜角，即全方位傾斜度測量]。

       圖1給出了傾斜傳感器與水平線標度系統的傾斜角(O-x O- y)與傳感器所在坐標系(O-x y)的關系。從圖1中可以看出，傾角傳感器的水平線旋轉軸位于水平線標度系統的x - O- y平面內，相對于O-x軸的方角為a(0。~ 360);傾角0是傳感器測量的平面法線與z軸之間的夾角，即水平面或載體的0。待測平面的兩軸z、Y與水平面上的投影軸z、Y夾角分別為0、0y，待測平面的法向軸z與待測平面的法向軸z與水平面的夾角為0。同時，傾角傳感器的輸入基軸感知加速度a (i)， z, Y軸)與基軸傾角0的關系為

式中 ：g 是基準軸傾角為時在基準軸上重力加速度的分量；g為重力加速度 [7] 。 設傳感器的兩個輸人基準軸分別為z 、Y 方 向 ，輸入基準軸方向的加速度分別為 a 、n ， 則重力加速度在坐標 系 x O y 平 面內的分 量 口扣 為

將式 (2 ) 代人加速度和傾角的關系式可得

圖 1 全方 位傾 角坐標示意 圖

       本文使用單片機對信號進行軟件處理。 但對信號進行求解正切函數和反正切函數 ，需要大量內存和很高的計算速度。 因此 ，在實際使用中一 般使用近似算法。 在0較小時，待測平面的傾角為

       對于全方位傾角信號的獲得，可按照式 (4 ) 進行計算，即取Y軸傾角信號的平方和平方。

1. 2 系統信號處理結構

       該全方位傾角測量系統包括敏感電路、信號處理電路和輸出電路。該敏感電路由兩個相互垂直放置的SCA 103t - d04芯片組成，對傾角信號敏感。高精度單軸傾斜傳感器sca103t - d04是芬蘭VTI科技公司研制的一種新型傾斜儀。它采用差分測量原理，采用高度集成的M - E - M - S傳感器技術。提供液位測量儀表的液位性能。M E M S傳感器以其體積小、重量輕、價格低、可靠性高、產量大等優點得到了廣泛的應用。它有2個模式輸出和1個數字SIPI接口，提供直接信號處理。在系統中，z軸和Y軸傾斜信號由兩個垂直放置在一起的SCA 103t - d04芯片提供，并將X軸和Y軸的差異傾斜信號分為z軸和Y軸，共4種模式的偽傾斜電壓信號，通過單片機實現A/D采樣和差分運算計算。信號差的優點是可以提高產品的靈敏度，顯著降低共模噪聲。使用Y軸的輸出來合成完整的方形傾斜角度信號。

       在數字電路部分，本文選用了AD公司的aduc812單片機，這是一種高性能的數據采集系統。單片機核心包含一個8通道12位高精度自校準ADAC、兩個12位ADAC和一個可編程8位(兼容8051)MDAC u。數字電路完成采樣、濾波、零抑制、全方位角信號合成和高精度D/A轉換，產生全方位角位置和姿態狀態角信號。信號處理電路的原始框圖如圖2所示。

2 位濾波和零漂移抑制

       利用單片機系統對傳感器的敏感信號進行A/D轉換，并進行卡爾曼濾波處理和零漂抑制處理。

2. 1卡爾曼濾波算法的實現

       測量后的系統初始傾角信號中含有噪聲信號，導致信號波動，穩定性差。為了理解這個問題，我們采用了數字濾波方法——卡爾曼濾波。卡爾曼濾波器是一個基于最小均方誤差準則的估計問題，描述了當輸入是由白噪聲[5]產生的隨機信號時，期望輸出與實際輸出之間的均方根誤差最小化的線性系統。它是一種基于“預測一次實測一次修正”的序列實時遞歸計算方法。假設隨機線性色散系統的狀態方程和測量方程分別為

      式中 ： x (K ) 為系統K時刻的狀態矩陣；U (K) 為系統噪聲矩陣；A 、B 為兩個參數矩陣； Z (K) 為測量值；H為測量系統參數矩陣；V (K ) 為觀測噪聲矩陣。卡爾曼濾波的遞推計算公式如下：

      在本文中，將z和軸的差分信號分離到卡爾曼數濾波器中。由于濾波是在系統真值未知的情況下進行的，最接近的測量值似乎就是原來的系統真值，所以在逼近的過程中，有可能去除噪聲信號，保留原來的基本信號。在評價濾波效果時，應主要考慮傾斜信號的保真度及其波活度的降低[8]。本文利用MAS T-L AB軟件進行仿真分析，在測試過程中，將采樣差分后的原始z軸和Y軸傾斜角信號通過由MAS T-L AB設計的卡爾曼濾波器進行處理，并對輸出波形及其標準差進行分析。

      為了驗證卡爾曼濾波的處理效果，分別對y軸靜態測量數據進行了測試。本文將原始信號與經過卡爾曼濾波的信號進行比較，得到預濾波和后濾波的信號。z軸和Y軸的數據對比曲線如圖3和圖4所示。表1給出了原始數據與卡爾曼濾波方法的標準差比較。

圖 3 z 軸濾波前后輸出數據比較

圖4 y軸濾波器輸出數據前后對比 

      由圖3和圖4可以看出，經過濾波后，系統的隨機噪聲明顯降低，輸出信號的保真度和穩定性明顯提高，y軸的穩定性分別提高了10。95次和12..七次，五次。

2. 2零漂移抑制設計

sca103t - d04單軸傾斜傳感器在工作過程中存在時間漂移和溫度漂移，會影響傾斜角檢測系統的零輸出。在實際焊接電路的過程中，會出現安裝誤差，并且會輸出陰影傾斜角檢測系統的零位置。利用零位漂移抑制思維軟件對針對系統存在的問題進行實時修正。包括卡爾曼濾波算法和零位漂移抑制在內的軟件流程圖如圖5所示。

4 總結

      介紹了全方形傾角傳感器的靈敏度原理和系統信號處理技術。傾角測量系統的敏感元件選用微機械式傾斜傳感器SCA103T-D04，信號處理部分由ADUC812芯片隔開。采用卡爾曼濾波算法降低傾角信號中的噪聲，提高傾角信號的穩定性。結果表明，z軸和Y軸的穩定性提高了10%。9 5乘以12。七十五次;為了消除零點誤差，滿足傳感器非線性的要求，提高全方傾角傳感器測量系統的精度和可靠性，設計了零漂移抑制軟件算法。

引用:

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[8]郭英石，王暢，張亞琪。噪聲方差對卡爾曼濾波結果的影響分析[J]。計算機工程與設計，2014,35(2):641-645。

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