加速度与角度传感器 专题陀螺仪传感器（4）：科普陀螺仪和加速度传感器角度融合算法

专题陀螺仪传感器（4）：科普陀螺仪和加速度传感器角度融合算法

一、预期结果

图中A-Angle：通过加速度计解算出的角度值，G-Angle: 通过加速度计解算出的角度数据，M-Angle：融合过后的角度值。

1、传感器在某一固定点绕Z轴进行范围为[ -90°, 90°]的转动

图1

从图1可看出，当传感器在静止（或做匀速运动）状态下进行角度变化时，通过加速度计解算出的角度是可靠的，由于系统刚开始运行（时间很短），因而通过陀螺仪解算出的角度也是可靠的。

2、传感器保持固定角度(0°)不变进行变速运动

图2

从图2可看出，在变速运动情况下，通过加速度计解算出的角度不可靠，陀螺仪的误差随着时间的增长而变大，亦不再可靠。而融合后的角度基本没有变化，可以得到融合模块对加速度计和陀螺仪的数据进行了有效的融合。

二、软件算法

采用互补滤波算法，算法流程图如图3所示。

图3

算法并不是直接融合通过加速度计和陀螺仪解算得到的角度，而是先用通过加速度计得到的角度和上一次融合后的角度对陀螺仪的角速度进行了修改后再积分，有效地抑制了加速度计和陀螺仪的偏差。

融合模块的调用采用中断方式，中断时间为5ms。中断服务函数内容如下：

Angle_new=Angle_last+((θ-angle)×n +(w-offset))×t;

Angle_last=Angle_new;

一文读懂陀螺仪传感器和加速度传感器的区别与联系

对于不熟悉这类产品的人来说，陀螺仪传感器是一个简单易用的基于自由空间移动和手势的定位和控制系统。在假想的平面上挥动鼠标，屏幕上的光标就会跟着移动，并可以绕着链接画圈和点击按键。当你正在演讲或离开桌子时，这些操作都能够很方便地实现。陀螺仪传感器原本是运用到直升机模型上的，已经被广泛运用于手机这类移动便携设备上（IPHONE的三轴陀螺仪技术）。

陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向。然后用多种方法读取轴所指 示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。我们骑自行车其实也是利用了这个原理。轮子转得越快越不容易倒，因为车轴有一股保持水平的力量。现代陀螺仪可以 精确地确定运动物体的方位的仪器，它在现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器。传统的惯性陀螺仪主要部分有机械式的陀螺仪，而机械 式的陀螺仪对工艺结构的要求很高。70年代提出了现代光纤陀螺仪的基本设想，到八十年代以后，光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展，激光谐振陀螺仪也有了很 大的发展。光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠。光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。光纤陀螺仪同时发展的除了环式激光陀螺仪外。

陀螺仪传感器应用

1

国防工业

陀螺仪传感器原本是运用到直升机模型上的，而它现在已经被广泛运用于手机这类移动便携设备上，不仅仅如此现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，所以陀螺仪传感器是现代航空，航海，航天和国防工业应用中的必不可少的控制装置。陀螺仪传感器是法国的物理学家莱昂·傅科在研究地球自转时命名的，到如今一直是航空和航海上航行姿态及速率等最方便实用的参考仪表。

2

开门报警器

陀螺仪传感器新的应用：测量开门的角度，当门被打开一个角度后，发出报警声，或者结合GPRS模块发送短信以提醒门被打开了。另外，陀螺仪传感器集 成了加速度传感器的功能，当门被打开的瞬间，将产生一定的加速度值，陀螺仪传感器将会测量到这个加速度值，达到预设的门槛值后，将发出报警声，或者结合 GPRS模块发送短信以提醒门被打开了。报警器内还可以集成雷达感应测量功能，主要有人进入房间内移动时就会被雷达测量到。双重保险提醒防盗，可靠性高， 误报率低，非常适合重要场合的防盗报警。

加速度传感器

加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。加速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）的改进的。另一种就是线加速度计。

线加速度计的原理是惯性原理，也就是力的平衡，A(加速度)=F(惯性力)/M(质量) 我们只需要测量F就可以了。怎么测量F？用电磁力去平衡这个力就可以了。就可以得到 F对应于电流的关系。只需要用实验去标定这个比例系数就行了。当然中间的信号传输、放大、滤波就是电路的事了。

多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。

加速度传感器应用：

通过测量由于重力引起的加速度，你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度，你可以分析出设备移动的方式。但是刚开始的时候，你会发现光测量倾角和加速度好像不是很有用。但是，工程师们已经想出了很多方法获得更多的有用的信息。

陀螺仪和加速度传感器的区别：

陀螺仪测角速度的，加速度是测线性加速度的。前者是惯性原理，后者是利用的力平衡原理。

加速度计在较长时间的测量值是正确的，而在较短时间内由于信号噪声的存在，而有误差。陀螺仪在较短时间内则比较准确而较长时间则会有与漂移而存有误差。因此，需要两者（相互调整）来确保航向的正确。

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