如何用三轴加速度传感器检测倾斜角

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三轴加速度传感器是基于加速度的基本原理去实现工作,其特点时体积小和重量轻。三轴加速度传感器是加速度传感器中用来测量空间加速度的传感器,即测量物体在空间中速度变化的快慢,三轴加速度传感器与单轴、两轴加速度传感器在测量原理上没有差别,他们的主要差别在于测量的维度不同,三轴加速度传感器主要是将空间加速度在X、Y、Z三个轴上进行分解,在一定的技术上三个单轴就可以变成一个三轴。本文比较使用三轴加速度传感器与使用单/双轴加速度传感器有什么优点,以及如何使用Digi-Key的技术资源来加速设计进程。 

三轴加速度传感器的优点

全面掌握物体的运动状态,双轴加速传感器可以保证XY平面上的倾斜角检测。但是在实际应用中,很难保证倾斜只发生在XY平面。加上第三条轴之后,便可全面掌握物体的运动状态。三轴加速度传感器除了像双轴加速度传感器一样,可以分别计算出在XY平面、YZ平面、XZ平面的倾斜角外。还可以计算出每条轴与参考位置的夹角。图1, XYZ三轴与参考位置的夹角。

三轴加速度传感器

图1:XYZ三轴与参考位置的夹角

θ 水平面与X轴夹角

Ψ水平面与Y轴夹角

Φ重力矢量与Z轴夹角

引入参考位置的概念,一般把参考位置设置为:z轴上重力分量为1,而XY轴上没有重力分量的位置。此时θ、Ψ、Φ的角度为0。通过计算θ、Ψ、Φ三个角度,便可知道物体的运动状态。

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图2:XYZ三轴与参考位置的夹角计算公式

检测倾斜角:三种加速度传感器比较

该使用哪种加速度传感器,应根据具体的应用要求而定,比如检测倾斜角范围、检测对象在XYZ三轴运动上是否有限定、检测精度要求等等。

三轴加速度传感器

硬件实现

但是在实际应用中,很难保证倾斜只发生在X-Y平面。因此,用三轴传感器的倾角计算公式可拓展如下:

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上述公式基本解决了静态环境下的倾角计算,我们再考虑一种更复杂的场景,运动条件下计算倾角,就需要再增加一个限定条件,即:

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目前,在消费类产品中使用的加速度主要为数字输出(I2C/SPI),可以非常简单的跟MCU通信,实现测量功能。ST提供的产品按照精度分为LIS2DH12TR(12bit),LIS2HH12TR(16bit),车规加速度AIS328DQTR(12bit)。

倾斜角度的精度和加速度值的分辨率之间的关系:

8bit的ADC可以得到3.4。以上的精度

10bit的ADC可以得到0.8。以上的精度

12bit的ADC可以得到0.2。以上的精度

14bit的ADC可以得到0.05。以上的精度

16bit的ADC可以得到0.0124。以上的精度

本文小结 

本系列文章仅仅讨论了检测倾斜角一个方面的应用。如果在实际应用中需要考虑更多的应用,通常要收集分析整理各个方面的信息。此时三轴加速度传感器的功能往往是单轴/双轴加速度传感器无法替代的。

 

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如何用三轴加速度传感器检测倾斜角

三轴加速度传感器是基于加速度的基本原理去实现工作,其特点时体积小和重量轻。三轴加速度传感器是加速度传感器中用来测量空间加速度的传感器,即测量物体在空间中速度变化的快慢,三轴加速度传感器与单轴、两轴加速度传感器在测量原理上没有差别,他们的主要差别在于测量的维度不同,三轴加速度传感器主要是将空间加速度在X、Y、Z三个轴上进行分解,在一定的技术上三个单轴就可以变成一个三轴。