ADXL202双轴加速度计在独立于车速表的汽车导航系统中的应用

来源：analog 发布时间：2023-11-15

摘要： 如何使用双轴加速度计为导航系统开发准确的速度估计。

在过去的十年中，使用全球定位系统(GPS)的车辆导航越来越受到关注;GPS导航系统经常安装在当今的高端豪华轿车和许多商用车中。因为它们依赖于来自卫星的高频射频信号，装有GPS导航系统的车辆可能会在短时间内失去GPS信号。通过适当的算法，GPS可以与其他航路绘图技术相结合，为用户提供持续准确的导航信息。

盲区(演绎)推算是汽车导航中广泛应用的一种方法。它利用三种不同的输入来预测位置:一组起始坐标、移动方向和移动速度。相对定位方案限制了其精度;绝对位置误差与行进距离成正比。非gps车辆导航的其他方法包括地图匹配、惯性导航和Delta A测量。地图匹配是基于这样的原则:如果你在一条道路附近或与其平行行驶，那么你很有可能确实在那条道路上(在人口密集的地区可能不太管用)。惯性导航依靠加速度计来推导速度作为加速度的积分。在Delta A测量中，随后从接收机恢复的GPS信号与来自非GPS系统的输入相关联。这种方法可以纠正加速度计的不准确性，如噪声和零加速度随温度/时间的偏移。这些技术中的不止一种可以与GPS结合使用，以更准确地显示位置。

虽然使用汽车安装的速度计是有帮助的，但也会出现一些困难。通常情况下，速度计信息是不可用的，因为它没有被发送到发动机/ABS/稳定控制计算机以外的系统。因为在许多情况下，它被认为是“安全关键”的，所以速度计的输出不会连接到任何可能导致公交车坠毁的东西上。此外，GPS系统通常是由第三方建造的，他们可能想要建造一个具有广阔潜在市场的通用产品。正是在这种应用中，ADXL202双轴加速度计可以用来为导航系统开发准确的速度估计。数字罗盘或陀螺仪与加速度计一起使用，以确定行进的大致方向。然后，该信息由导航系统翻译(与上述其他方法结合使用)，以确定相对于信号丢失点的位置。

这里描述的确定速度的方法使用一个加速度计来感知前轮和后轮在路上遇到颠簸的时间间隔(当向前行驶时)。无论是在本地公路还是高速公路上行驶，道路上总会有不完美的地方。这些缺陷转化为颠簸和颠簸，车轮能立即感知到，最终乘客也能感知到。为了通过感知这些颠簸来跟踪速度，加速度计被用来识别它们的大小和时间。因此，对于具有给定轴距(W)的汽车，两个轴遇到颠簸的间隔(T(1))可以用来计算汽车行驶的速度，使用以下公式:(见图1)

速度[英里/小时]= (W [ft]/ T 1 [s]) *(3600秒/小时)/(5280英尺/英里)
速度[km/hr] = (W [m]/ t1 [s]) * (3600 s/hr)/(1000 m/km)。

样本数据日志
M(xx) =颠簸幅度(占空比%)
T (xx) =碰撞瞬时时间(秒)
T(x) =两个相关凸起之间的持续时间(秒)
S(0) =先前有效速度(mph)
S(1) =当前计算速度(mph)

当记录在当地道路上的典型驾驶数据以开发实验信息时，加速度计很难区分汽车悬架系统的反弹和振动以及由道路不规范引起的尖峰对。因此，需要一个过滤系统来隔离凸起。ADXL202EB-232评估板具有内部软件，可通过低通滤波平滑数据。这提供了更好的机会来识别道路颠簸并在计算中使用它们。解决了这个问题之后，又出现了一个相关性问题——例如，如果有两个相似的颠簸距离小于一辆汽车的长度，那么很难对汽车在短时间内总共经历的四次颠簸做出某种解释。因此，有必要提出一种算法，将数据点清晰地转换为有效的速度计数据。

如果加速度计被放置在与地球表面平行的x轴和垂直于地球表面的y轴之间，那么前轮和后轮产生的碰撞脉冲的大小大致相等(取决于车辆的悬挂系统)。为了识别碰撞对，有必要进行幅度比较，以匹配源自前轴和后轴的碰撞。同时，必须将当前所列速度与上一次有效速度进行比较，以确定当前计算速度是否可行。例如，如果一辆车在一秒钟前以每小时25英里的速度行驶，那么现在的速度极不可能达到每小时45英里或更高。因此，通过使用时间和速度比较，任何没有意义的输出都将被合理化或忽略。

数据分析。ADXL202的数字输出为占空比调制;准点率与加速度成正比。50%占空比(方波输出)表示标称0-g加速度;比例因子为±12.5%占空比变化每g加速度。这些标称值受到器件初始公差的影响，包括零g偏移误差和灵敏度误差。

在这里描述的应用中，50%的占空比输出对应于一个完全平滑的行驶-没有颠簸或振动被加速度计检测到。一般来说，由于它的悬架动力学，车辆在较低的速度下对颠簸更敏感。因此，对于较低的速度，需要降低对颠簸幅度(M(xx))的敏感性，并且阈值水平可以更高。低于阈值水平的数据将被视为无效数据，而高于阈值(有效的数据)的数据将被传递到下一阶段的过滤。

下一阶段的目的是阻止两个相邻的颠簸所暗示的不可行的速度，这两个颠簸的距离比车辆的轴距更近。为了解决这个问题，如果S(1)(定义如下)与S0相比超过了20 mph/ S的一般加速度限制，则该数据集无效。然而，四个颠簸的配置可以通过配对第一个和第三个颠簸以及第二个和第四个颠簸转换为合理的速度(图2)。

A: M(01) = 52.41%， t(01) = 135.862s
B:米（11）= 52.15%（11）= 135.938年代
C: M02 = 53.08%(02)= 136.179年代
D:米（12）= 51.66%， t12 = 136.242s

图2显示了ADXL202EB在以20英里/小时的恒定速度行驶时记录的最新数据。乍一看，A和B似乎是两个相关的凸起，以及C和d。然而，t(11) - t(01) = 0.076秒，换算成大约81英里/小时的速度。这将与使用Delta A测量方法的最后有效速度进行比较，并将否定A &B.那么A和C配对:t(02) - t(01) = 0.317秒，B和D(0.304秒)也是如此，分别转化为19.4英里/小时和20.2英里/小时。从方程1和9英尺的轴距，T(x) 20英里每小时等于0.307秒。这里的结果分别显示了3.2%和1%的差异。

这个简单的解决方案处理了最常见的错误消息来源。当然，还有许多其他凹凸配置可能导致错误的速度检测。其中许多可以通过越来越聪明的算法和信号调节来处理，但最终，人们必须认识到，这种计算是代替GPS信号暂时丢失的系统的一部分，目的是在短时间间隔内保持合理的精度。

轴?可以考虑使用X轴或y轴(或两者)作为加速数据来测量道路上的颠簸。Y(垂直)轴测量的是实际的振幅，这是由汽车的悬架系统动态修正的，而且经常是模糊的，而x轴测量的是汽车通过凸起时前后加速度分量(加速度计横轴)的振幅。

第一种方法(图3)测量y轴加速度(垂直于地球表面)。在无碰撞的情况下，测量值为1g，由地球的静态引力确定。这个标称62.5%的输出(50% + 12.5%/g)可以偏移到50%，作为正或负垂直偏转力的起点。

第二种方法(见图2)使用x轴(平行于地球表面)来测量前后加速度。在无碰撞的情况下，测量值为0 g。由于汽车的运动受到碰撞的影响，而加速度计捕捉到一个y轴加速度峰值，被汽车的悬架系统强烈过滤。与此同时，由于碰撞引起的前后运动(以及加速度计的跨轴灵敏度)，x轴也会接收到一个较小但“更清晰”的加速尖峰向前分量。在试运行期间，后一种方法(图2)给出了更好的结果。

这种方法有助于过滤掉不需要的噪音。此外，从图3中可以看出，在撞到颠簸时，加速度的垂直分量往往显示出相当低的阻尼系数。依靠前后运动可以克服这些并发症。