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加入陀螺儀與傾斜傳感器　數(shù)字三軸角度儀測量快又準(zhǔn)

傳統(tǒng)的角度測量儀有液體及玻璃裝置，整體結(jié)構(gòu)體積龐大,，使用不當(dāng)容易發(fā)生破裂狀況,，因此產(chǎn)品壽命較短，而且在使用上必須要等到氣泡到達(dá)平衡位置才可觀察正確的角度,，測量過程不僅耗時且精度較低,；而目測式的角度測量儀無法產(chǎn)生電子訊號來控制其它組件，即使以水銀液滴來取代氣泡,，藉由電路整合轉(zhuǎn)成電子式的訊號輸出,，也會因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定產(chǎn)生角度量測上的誤差，因此本文將以其它方式來測量平臺的傾斜角,，改善傳統(tǒng)角度測量儀缺點(diǎn),。

為改善傳統(tǒng)角度測量儀的缺點(diǎn)，可利用三軸加速度計(jì)(Accelerometer)測量平臺的傾斜角度,，當(dāng)測量儀放置在傾斜面時,，三軸重力加速度會因傾斜面角度的改變而輸出不同的電壓值，且電壓值與角度呈現(xiàn)比例關(guān)系,，因此可藉由電壓值的大小反推平臺傾斜的角度,，透過單芯片的應(yīng)用，將三軸加速度計(jì)的輸出電壓轉(zhuǎn)換成角度顯示在液晶顯示器(LCD)上,，使用者即可知道平臺傾斜的角度,，甚至可測量平面的水平度。

精密陀螺儀加持　傾斜傳感器性能升級

由于許多如汽車,、飛機(jī),、機(jī)械平臺等自動化設(shè)備，都須要測量設(shè)備本身傾斜的角度并將測量的結(jié)果回饋(Feedback)給控制系統(tǒng),，讓系統(tǒng)內(nèi)部的程序做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng),，因此，高精度傾斜傳感器(High-precision
Tilt Sensor)是現(xiàn)代化科技發(fā)展不可或缺的零組件,，尤其在建筑產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用是更為廣泛,。以著名的單人二輪電動滑板車賽格威(Segway)而言，在正常操作下幾乎不會傾倒,，關(guān)鍵在有精密的陀螺儀及敏銳的傾斜傳感器,，隨時偵測騎乘者身體重心移動的變化,，運(yùn)用微處理器搜集騎乘者數(shù)據(jù)仿真人體的平衡。

根據(jù)工業(yè)局分析,，國內(nèi)業(yè)者要生產(chǎn)賽格威(Segway)尚有困難,，主要是由于關(guān)鍵零組件陀螺儀及傾斜傳感器等技術(shù)尚待建立。有鑒于此,，本文應(yīng)用力學(xué)原理設(shè)計(jì)高精度傾斜傳感器,，并使用8位系列芯片作為微控制器(MCU)，希望經(jīng)由這項(xiàng)研究能夠提升國內(nèi)傾斜傳感器的技術(shù),。

目前大部分傳統(tǒng)的傾斜傳感器的設(shè)計(jì)概念,，大多以氣泡在重力場下的行為作為偵測角度之基礎(chǔ),，如圖1水平氣泡示意圖所示。當(dāng)所測平面產(chǎn)生傾斜時,，水銀氣泡會離開原來的中央位置,，而右方或左方的二條金屬電極(粗線部分)會發(fā)生斷路現(xiàn)象，即可判別是右傾或左傾,，但此種裝置只能判斷平面是否保持水平而無法提供角度偵測,，僅能做為水平開關(guān)。

圖1 水平氣泡示意圖

如圖2水平氣泡幾何關(guān)系圖所示,，其中S表示氣泡移動距離,，R表示玻璃管曲面半徑，φ表示傾斜角度,，則φ=(180×S)/(πR),。在一弧度玻璃管內(nèi)填充乙醚液體及保留一小氣泡于玻璃管中，當(dāng)傾斜角度發(fā)生時,，因物理傾斜重力的因素而使其沿著玻璃管弧面移動,，管內(nèi)氣泡會往高的一端移動，精度越高的水平氣泡,，其玻璃的曲率半徑會越大,，玻璃管上的弧面設(shè)計(jì)可讓氣泡永遠(yuǎn)保持在最高點(diǎn)，再根據(jù)玻璃管上的紅色刻度線,，以目測方式來判讀傾斜角,。

圖2 水平氣泡幾何關(guān)系圖

若將圖2中水平氣泡上的黑粗線改成金屬導(dǎo)線，氣泡改成水銀液滴,，藉由電路整合就可轉(zhuǎn)成電子式的訊號輸出,。以上所描述為傳統(tǒng)角度測量儀的原理,，但傳統(tǒng)角度測量儀有液體及玻璃裝置，整體結(jié)構(gòu)體積龐大,，使用不當(dāng)容易發(fā)生破裂狀況,，因此產(chǎn)品壽命較短，且在使用上須等到氣泡達(dá)平衡位置才可觀察正確角度,，測量過程不僅耗時且精度也較低,。此外，目測式的角度測量儀亦無法產(chǎn)生電子訊號來控制其它組件,，即使以水銀液滴來取代氣泡,，藉由電路整合轉(zhuǎn)成電子式的訊號輸出，也會因結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定產(chǎn)生角度量測上的誤差,，因此必須以其它的方式來測量平臺傾斜角,，改善傳統(tǒng)角度測量儀缺點(diǎn)。

加速度計(jì)利用撓曲/電路偵測位移

三軸加速度計(jì)是一種測量加速度的裝置,，加速度計(jì)的廣泛使用使得自動化工業(yè)大幅降低成本,。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加速計(jì)最常見于現(xiàn)代汽車的安全氣囊系統(tǒng)上，以偵測碰撞發(fā)生時車輛突然的減速度,。加速度計(jì)只由一個懸臂和一個重錘組成,，利用撓曲和電路來測量加速度，其工作原理為當(dāng)加速度計(jì)本體產(chǎn)生移動或轉(zhuǎn)動時,，使內(nèi)部互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移,，造成電容值的變化，該電容值再轉(zhuǎn)換為特定輸出電壓為訊號,，藉此讓裝置做出相對的反應(yīng),。本研究采用AGB3_V2三軸超小型加速度計(jì)，測定范圍從1.5～6倍的重力加速度(G),，使用防止噪聲的電容,，內(nèi)藏放大器(Amp)，其接腳結(jié)構(gòu)如圖3所示,，可直接與微處理器相接,。

圖3 加速度計(jì)接腳結(jié)構(gòu)圖

加速度計(jì)輸入電源電壓是5伏特(V)，輸出電壓最大約3伏特,，若選擇1.5G模式,，輸出訊號呈現(xiàn)800毫伏特(mV)/G的線性關(guān)系，因此模擬訊號輸出電壓Vout與0度訊號電壓V0,、加速度Zg的關(guān)系為公式1,。

‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式1

在此例中利用傾斜時的重力關(guān)系，可以換算出傾斜角。對于位移而言,，由X-Y-Z軸感測到電壓變化,，可以得到加速度計(jì)本體的傾斜角度，如圖4所示,，以ψ,、ρ與θ分別代表X軸、Y軸與Z軸的傾斜角度,，加速度Xg,、Yg、Zg與傾斜角度之間的關(guān)系可由公式2～4描述,。

圖4 加速度計(jì)本體的傾斜角度示意圖

‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式2

‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式3

‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式4

本例的輸入Xg,、Yg、Zg與輸出傾斜角度訊號ψ,、ρ與θ并非線性關(guān)系,，因此可將輸出電壓訊號切割成很多個區(qū)間來處理，由于Sin函數(shù)在零度角(水平)附近,，呈現(xiàn)正比線性關(guān)系,，而且變化較為顯著，所以在30度角之前僅分割成三個區(qū)間,，在30度角與90度角之間則分割成三十個區(qū)間,，區(qū)間內(nèi)則以線性內(nèi)插求得，商品化時若考慮到精度問題只須在程序內(nèi)將區(qū)間分割得越細(xì),，即可將精度提高到所需要的范圍,。

此外，輸出訊號均為模擬(Analog)的微小訊號,，因此必須將訊號放大才能作進(jìn)一步的處理，同時在一般的應(yīng)用場合中往往還須要將訊號回饋傳送至微控制器中進(jìn)行運(yùn)算,，因此必須將模擬式的訊號轉(zhuǎn)換成數(shù)字式(Digital)的訊號,，才能讓微電腦讀取，這個程序是由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog
to Digital Converter, ADC)來達(dá)成,。

在軟件方面,，HT-IDE3000發(fā)展系統(tǒng)可提供完善的工作平臺。將所有的軟件工具,，例如編輯器,、組譯器、連結(jié)器,、函式庫管理員和符號除錯器,，整合成為一窗口環(huán)境，使程序發(fā)展過程更為容易,。HT-IDE3000軟件還提供軟件仿真器功能無須接上HT-ICE仿真器,，即可進(jìn)行程序開發(fā),。

HT-IDE3000軟件仿真器可以仿真8位微控制器，以及所有HT-ICE仿真器之基本功能,。利用以HT46R232 MCU為核心之控制器主體搭配一個LCD之訊號輸出模塊與荷重元量測系統(tǒng)作為輸入單元,，并規(guī)畫HT46R232微控制器A埠(Port A)為輸出埠，B埠(Port B)為輸入埠,。其中,，基于HT46R232微控制器的控制器主體用來執(zhí)行邏輯、運(yùn)算,、計(jì)時,、計(jì)數(shù)等功能，并透過數(shù)字輸出或模擬輸入模塊來進(jìn)行角度測量動作,，本范例的程序流程圖如圖5所示,，其技術(shù)來源為作者自行研究的成果，并已提出發(fā)明專利的申請,。