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毕业设计外文翻译
题 目 衡量陀螺仪的能力和限制，
关于用于稳定平台的加速度计和陀螺仪
衡量陀螺仪的能力和限制，关于用于稳定平台的加速度计和陀螺仪
Abdul Rashid Alias1, Mohd Sofian Alias1, Iskandar Zulkarnain Shamsuddin1,
Raja Abdullah Raja Ahmad1, and Siti Norul Huda Sheikh Abdullah2
PoliteknikSeberangPerai
JalanPermatang Pauh13500 PermatangPauh
Pulau Pinang, Malaysia
{arashidalias,pyanmaster}@gmail.com,
iskandar_shamsudin@ymail.com, raja_abdullah88@yahoo.com
2 Pattern Recognition Research Group, Center for Artificial Intelligence Technology,
Faculty of Information Science and Technology,
Universiti Kebangsaan Malaysia, 43600, Bangi, Selangor, Malaysia
mimi@ftsm.ukm.my
简介：惯性稳定的平台备受各类工程领域的关注，如电信，机器人和军事系统。本文旨在讨论现有陀螺仪和加速度计及其组合的优点和局限性。为了确保这项研究的成功，需要稳定的平台应用程序来协助收集分析数据。我们对两个传感器及其组合执行三个实验，以观察其与稳定平台应用的关系。 使用Arduino Duemilinore连接到计算机以收集数据。同时，我们通过使用卡尔曼滤波器进行其他两个实验来测量移动物体上的传感器性能。使用陀螺仪和加速度传感器以及一些滤波器通过在稳定和移动的平台中应用，结果显示了显着的结果。这项研究的成果将激发和创造出新的技术控制系统，使物体具有平衡自身的能力。
关键词：稳定平台，陀螺仪，加速度计。
1、绪论
惯性稳定平台（ISP）已被广泛应用于多种应用领域的工程。 这样的应用包括稳定相机，传感器和武器阵列安装在移动基座上[2]，[3]，[4]。主要控制目标在被追踪对象有基本的运动动作时保持追踪对象。 例如是摄像机安装在移动的机器人上的稳定情况，意味着有意的机动和外部干扰必须得到补偿。
该任务通常使用一组传感器来测量主载具的姿态[1]，如加速度计，陀螺仪和磁力计，提供了强大的态度估计 一旦知道了这种态度，就用受控的机械结构来进行补偿。 最常见的结构是双轴万向节[3]以两个角度执行旋转，即方位角和俯仰角。
以这种方式，在本车辆运动没有偏航的情况下被认为是稳定化，这意味着只需要补偿滚动和俯仰角度。 这是合理的近似，例如，对于偏航变化非常缓慢的船舶动力学。 对于ROV（遥控车辆）或UAV（无人驾驶飞行器）照相机稳定，这也是一个有趣的场景，偏航运动的补偿可以将相机指向机器人本身的部分并限制视野。
可以看出，在这种情况下，仅需要两个角速度来获得平台定向的完整估计，因此可以实现补偿。 通过使用陀螺仪和加速度计来呈现必要的方位角和高程以保持视线不变的算法作为自然续集，通过灵敏度函数分析了在不期望运动的存在下的算法性能。
然而，该系统需要精确的传感器校准和对准，并且还具有高精度的计算，这取决于加速度和角速度信号的可靠测量[6]。 由于坐标变换和偏航的迭代程序，传感器偏差误差，惯性误差，选项包括误差和随机噪声都会累积。 传感器偏差误差、惯性误差，选项包含的误差和随机噪声由于坐标变换和偏航，滚动角计算的迭代程序而累积。 因此系统可重用性的一个重要方面是实时过滤。 因此，系统可重用性的一个重要方面是实时过滤。
执行信号滤波的最简单的方法是应用低通滤波器。但是低通滤波器可以仅用于具有已知先验带宽的噪声消除，例如，从信号谱分析。 分析和角速率信号可以描述物体移动的随机过程，但并不能在实验室中识别出所有的来源和其带宽。当通过现实世界的行为知识估计噪声的有用信号时，卡尔曼滤波器似乎更合适。
在这项工作[2]中，将两个不同的传感器应用于稳定平台，即陀螺仪和加速度计。 它讨论了陀螺仪和加速度计的原理，并提出了一种同时结合陀螺仪和加速度计的策略。 此外，他们还通过基于误差源，非线性摩擦和陀螺漂移计算稳定的平台误差来评估和讨论补偿方法。 他们声称，他们可靠的方法可以使用控制策略和误差补偿来识别和提高陀螺加速度计稳定平台的精度。
其余部分安排如下。 第2节介绍软件开发和应用理论的方法。 而第3节在结果和讨论中讨论。 第4节总结并总结了该研究。
2拟议的稳定平台设计
我们设计的的稳定平台包括两部分。 一方面是软件开发另一方面是硬件开发。 我们按顺序在两个以下子部分中讨论每个部分。
2.1软件开发
我们开发使用Arduino IDE作为系统控制器的软件部分。 将名为Arduino Duemilinove的主程序下载到Arduino板。 这时稳定系统的软件部分已经被使用，以获得准确的角度，并将平台移动到目标地点。 IDE通过上位机软件连接到Arduino硬件。 上位机程序保存文件扩展名.ino [7]
开始
初始化加速度计陀螺仪和伺服器端口
解析加速度计和陀螺仪并归零
NO
YES
CAL==0
通过ADC获得陀螺仪数据并计算角度
通过加速度计解析重力并计算角度
通过加速度计解析重力并计算角度
卡尔曼滤波滤波输出角度
将角度反馈给伺服器
结束
图.1 拟议的稳定软件流程图
2.2拟议流程图
在图1中，流程图说明了从传感器估计每个轴的适当角度的过程。 然后，使用角度值来确定平台状态。
首先，我们初始化传感器的所有端口（加速度计，陀螺仪和伺服），然后执行校准过程。 传感器可以以数据表的形式显示平台的当前状态。 在这里，我们将所有传感器设置为零状态。 做了这个，它检查他切换输出“一”还是“零”。 如果为零，如果再执行校准过程，则读取ADC的陀螺仪传感器输出，并随后计算电流角值。 等式（1）至（4）。
给定A（gyr）和R.A（gyr）的角度及其随后陀螺仪的速率计算，
A(gyr)=R. A(gyr)?，（1）
R. A(gyr)=，（2）
其中
s=传感器的灵敏度或测量可以检测到的绝对变化量。传感器的数据表可以找到，
Vo=电压输出，
Vzb=传感器电压零偏置，
A(gyr)= 陀螺仪角度，
R. A =陀螺仪角速度，
dtau; =传感器从一开始就读取的时间。
图.2 力的矢量
给定（ACC）和R是ang是随后的加速度的角度和力向量，
(acc)=，（3）
R=,（4）
其中
X= X 角度值
Y= Y 角度值,
Z=Z 角度值,
acos=ADC中的值对应的角度
2.3稳定平台系统
图3显示了稳定平台系统的框图。 该系统包括两个传感器，以检测惯性和加速度的变化。 传感器使用了IDG-500（集成的双轴角速度传感器（陀螺仪）和ADXL335（一种小而薄，低功耗，完整的3轴加速度计，加速度计具有信号调节的电压输出。
Arduino Duemilanove（“2009”）是基于ATmega168或ATmega328的微控制器板。 它有14个数字输入/输出引脚（其中6个可用作PWM输出），6个模拟输入，16 MHz晶体振荡器，USB连接，电源插孔，ICSP接头和复位按钮。 该系统控制可以通过使用串行通信的计算机进行监控和修改。
通过使用伺服电动机来表示系统的输出来说明状态电动机X和Y电动机以控制稳定性和加速度以达到所研究的系统的目的。
图.3 稳定平台系统框图
2.4卡尔曼滤波器
卡尔曼滤波器也作为线性二次估计（LQE），是一种使用随时间观察的一系列测量值，包含噪声（随机变化）和其他不准确性的算法。 它产生的未知变量的估计倾向于比单独测量的变量更精确。 更正式地，卡尔曼滤波器对噪声输入数据流进行递归运算，以产生对基础系统状态的统计最佳估计[5,6]。
在读取两个传感器（陀螺仪和加速度计）的输出后，我们应用卡尔曼滤波器。 这是为了获得更准确的角度估计。 图4显示了卡尔曼滤波器的基本框图。 卡尔曼滤波器对Sigma;t|t-1（这是时间t的状态预测误差协方差）应用R阶递归在时间上向前运行。 我们可以在我们实际得到任何观测值之前计算Sigma;t|t-1。
图.4 基本卡尔曼滤波器框图
3结果与讨论
3.1陀螺仪与加速度计
首先，我们进行两个实验来观察（i）陀螺仪和（ii）加速度计性能。 陀螺仪是一种测量角速率的传感器。 陀螺仪可以指示或检测几个不同的误差源，每个都有其独特的特征。 然而，重要的是要了解每个错误源如何有助于整体定向精度。 陀螺仪的偏置率是当器件处于停滞位置时的平均输出。 由于陀螺仪的输出集成了定向角，恒定偏差误差随时间呈线性增长。 当设备不旋转时，通过取长输出的平均值来计算陀螺仪的恒定偏差误差。 早先知道恒定偏差后，可以从后续的测量中减去，以消除这种形式的误差。 图5（a）显示了以毫秒为单位的角度与时间的陀螺仪间隔的输出。
图.5 （a）陀螺仪x轴，（b）的度数与时间序列的角度（以毫秒为单位）加速度计x轴，（c）陀螺仪与加速度计之间的漂移
图5（b）表示加速度计的角度的输出。 加速度计偏差对稳定平台的整体性能有重大影响。 加速度计输出中的任何偏差将导致测量的加速度矢量与其真实方向的偏移。 积分加速度将直接导致计算出的位置错误。 当确定方向时，加速度计偏差误差将对俯仰和侧倾精度有很大的影响。
图5（c）显示了陀螺仪和加速度计的漂移输出。 陀螺仪漂移可分为快速变化的短期噪声和缓慢变化的长期噪声。 一般来说，短期噪声是源自随机漂移的高频噪声。 假设所有其他因素都保持不变，这是指时间偏差的变化[8]。 基本上这是由陀螺仪及其相关的机电部件的自身加热引起的预热效应。 这种效果预计在开机后的最初几秒内会更加普遍，并且在（例如）五分钟之后几乎不存在。 该图表显示陀螺仪随时间漂移。 这意味着不能信任更长的时间，但在短时间内是非常精确的。 这才是加速度计派上用场的时候。
3.2陀螺仪与无过滤器的加速度计
基于目标，实验证明，通过补偿和补充对方的限制，陀螺仪和加速度计的组合可以提高平台性能的稳定性。 陀螺仪和加速度计之间的区别在于两者都可以感应旋转，但随着时间的推移，它会偏离。 3轴加速度计具有测量固定平台相对于地球表面的方向的能力。 如果平台碰巧自由落体，则加速度计返回零值。 如果它只是在特定方向加速，加速度将是无法区分的，因为它对地球的引力作用是积极的。 因此，不能单独使用加速度计来维持飞行器的特定取向。 图6显示了陀螺仪与加速度计的输出差异。
图.6 .以毫秒级陀螺仪与加速度计的度数与时间序列的角度
另一方面，陀螺仪功能强大，可以测量特定轴线周围的旋转速度。 例如，如果使用陀螺仪来测量围绕飞行器的滚动轴线的旋转速率，则只要飞机继续滚动，其返回非零滚动值。 否则，如果滚动停止，则返回零。
3.3陀螺仪和加速度计与滤波卡尔曼滤波器
根据我们的论文的目标，我们还比较了移动物体上卡尔曼滤波器及其补码滤波器的性能。 卡尔曼滤波器是一种使用随时间观察的一系列测量的算法，在这种情况下，加速度计和陀螺仪。 这些测量可能包含可能对测量误差造成影响的噪声。 卡尔曼滤波器
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资料编号：[25121]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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