CN103123361A - Mems角速度和加速度传感器自动标定方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种MEMS角速度和加速度传感器自动标定方法及其系统，包括传感器安装台、带USB接口及A/D转换功能的信号采集器、步进电机控制模块、步进电机执行控制模块、传感器信号值采集模块以及自动标定模块；所述的步进电机控制模块、传感器信号值采集模块和自动标定模块都在PC机上执行；步进电机执行控制模块在单片机上执行；步进电机控制模块还拥有PC机上人机界面；步进电机控制模块和步进电机执行控制模块采用细分技术，对步进电机旋转轴旋转角度与旋转速度进行细分。采用本发明不需要每次标定不需要标定人员自行进行数据处理，得出标定结果，减轻了标定人员的工作量。

Description

MEMS角速度和加速度传感器自动标定方法及其系统
技术领域
本发明涉及传感器标定领域，尤其是MEMS角速度和加速度传感器自动标定方法和系统。
背景技术
随着MEMS技术的推广与发展，基于MEMS技术的角速度、加速度传感器的应用领域越来越广。由于传感器的性能会受到周围环境的影响，所以传感器要经常进行重新标定方可保证其测量精度。目前的还没对角速度传感器与加速度传感器都能进行自动标定的系统平台，而且每次标定都得标定人员自行进行数据处理，得出标定结果，增加了标定人员的工作量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种MEMS角速度和加速度传感器自动标定方法及其系统，能够实现传感器的高精度自动标定。
本发明所采用的技术方案为：一种MEMS角速度和加速度传感器自动标定方法，由步进电机旋转轴转速来标定角速度传感器、由重力加速度来标定加速度传感器，具体步骤如下：
A：角速度传感器标定步骤：
/1/将角速度传感器安装在安装台上，利用安装垫片使待标定的传感器角速度旋转轴与步进电机旋转轴同轴；
/2/通过步进电机控制模块输入一组20个固定的角速度，使步进电机依次按这组角速度旋转，每个角速度旋转10秒钟；同时信号采集器按500赫兹的采样频率对传感器信号进行采样并进行A/D转换后通过USB接口送入PC机；信号采集器通过USB接口与PC机相连接，PC机上的传感器信号值采集软件通过USB接口读取传感器信号值并进行存储；
/3/自动标定软件根据存储的传感器信号值和其对应的步进电机旋转轴角速度对传感器进行标定；得到角速度传感器的灵敏度和误差；
B：加速度传感器标定步骤：
/1/将加速度传感器安装在安装台上，使要标定的加速度轴向与步进电机旋转面垂直；
/2/通过步进电机控制模块将控制步进电机使要标定的加速度轴靠近重力加速度g方向；
/3/自动标定软件根据传感器信号值调整步进电机输出轴的转角，使输出信号取得极值；从而实现了所需标定的加速度传感器输出轴的方向与重力加速度g的方向一致；此时的步进电机输出轴转角位置定位零位基准；
/4/以零位基准为参考，自动标定系统会将会依次使步进电机输出轴旋转到0°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°、180°的位置或根据标定人员输入的角度进行旋转，并同时计入下此时的传感器信号值；此时的待标定的传感器输出轴所测量的加速度为重力加速度g在此轴方向上的分量，即此时的传感器输出轴所测量的值等于重力加速度g在此轴方向的分量；
/5/自动标定系统会根据传感器信号值和重力加速度g在加速度传感器待标定的传感器输出轴方向上的分量值，对角速度传感器信号值进行拟合，得到灵敏度、线性度等参数，从而完成传感器的标定。
具体的说，所述的步骤A./2/中步进电机控制模块根据输入的控制角速度和角度通过RS232串口发送给步进电机执行控制模块，然后步进电机执行控制模块根据命令来产生相应的方波信号，并将方波信号发送给步进电机驱动器后，步进电机驱动步进电机旋转轴按设定的角速度和角度旋转。所述的步骤A./2/中传感器信号值采集软件是通过USB来读取信号采集器上数据并存储在PC机内，以供下一步的自动标定。
本发明所述的步骤B./2/中要标定的加速度轴与重力加速度g平行，方法为：首先人工利用步进电机控制软件将传感器的加速度轴的正方向接近重力加速度g的正方向；实时读取加速度传感器的信号值，并将步进电机进行微调，如果发现信号值有极值出现则此时的极值为加速度传感器在重力加速度g的影响下的信号值，如果发现微调超过10度时还没出现极值，则命令步进电机返回到初始微调位置，并向方向微调直到极值出现。
同时，本发明还提供了一种所述的自动标定方法所使用的自动标定系统，包括传感器安装台、带USB接口及A/D转换功能的信号采集器、步进电机控制模块、步进电机执行控制模块、传感器信号值采集模块以及自动标定模块；所述的步进电机控制模块、传感器信号值采集模块和自动标定模块都在PC机上执行；步进电机执行控制模块在单片机上执行；步进电机控制模块还拥有PC机上人机界面；步进电机控制模块和步进电机执行控制模块采用细分技术，对步进电机旋转轴旋转角度与旋转速度进行细分。
本发明所述的传感器安装台至少有2个传感器安装面；其中一个与步进电机旋转轴平行，另一安装面与步进电机旋转轴垂直；每个安装面上有4个螺孔和安装位置调整垫片。
本发明的有益效果是：利用MEMS角速度传感器感应的角速度与步进电机输出轴转动角速度一致实现角速度传感器标定；利用加速度传感器对重力加速度g的感应来标定加速度传感器，不需要每次标定不需要标定人员自行进行数据处理，得出标定结果，减轻了标定人员的工作量。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明结构框图；
图2是加速度传感器标定步骤中根据重力加速度g寻找信号值极值算法流程图；
图3是安装台俯视图；
图4是安装台右视图。
具体实施方式
现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
在图1中PC机通过RS232串口与单片机模块连接(MCU)，且通过USB接口与信号采集器连接。信号采集器与传感器通过倒下相连。单片机模块(MCU)、步进电机驱动器、步进电机通过导线串联。传感器单元通过四个螺钉与安装台连接，且可以通过调整垫片来调整传感器的安装位置，使传感器处于标定方法中所要求的位置。安装台与步进电机旋转轴通过六角螺栓连接。
此系统中的信号采集器含有：传感器信号采集功能、A/D转换功能、USB通信功能。信号采集器将采集到的传感器数字信号通过A/D转换功能转成合适的模拟量，并通过USB接口送出，待PC机上的传感器信号采集软件来读取。
图2是加速度传感器标定步骤中根据重力加速度g寻找信号值极值算法流程图。
图3、图4为安装台俯视、仰视图。安装台与步进电机通过六角螺栓联接，安装台为七字形状，安装后将保持一个安装面与步进电机旋转轴平行，另一个安装面保持与步进电机旋转轴垂直。图3和图4中的1、2、3、4为传感器安装螺孔，5为安装台与步进电机联接的安装孔。
角速度传感器标定步骤为：
/1/将角速度传感器安装在安装台上，利用安装垫片使待标定的传感器角速度旋转轴与步进电机旋转轴同轴；
/2/通过步进电机控制模块输入一组20个固定的角速度，使步进电机依次按这组角速度旋转，每个角速度旋转10秒钟；同时信号采集器按500赫兹的采样频率对传感器信号进行采样并进行A/D转换后通过USB接口送入PC机；信号采集器通过USB接口与PC机相连接，PC机上的传感器信号值采集软件通过USB接口读取传感器信号值并进行存储；步进电机控制模块根据输入的控制角速度和角度通过RS232串口发送给步进电机执行控制模块，然后步进电机执行控制模块根据命令来产生相应的方波信号，并将方波信号发送给步进电机驱动器后，步进电机驱动步进电机旋转轴按设定的角速度和角度旋转。所述的步骤A./2/中传感器信号值采集软件是通过USB来读取信号采集器上数据并存储在PC机内，以供下一步的自动标定。
/3/自动标定软件根据存储的传感器信号值和其对应的步进电机旋转轴角速度对传感器进行标定；得到角速度传感器的灵敏度和误差；
加速度传感器标定步骤为：
/1/将加速度传感器安装在安装台上，使要标定的加速度轴向与步进电机旋转面垂直；
/2/通过步进电机控制模块将控制步进电机使要标定的加速度轴靠近重力加速度g方向；要求要标定的加速度轴与重力加速度g平行，方法为：首先人工利用步进电机控制软件将传感器的加速度轴的正方向接近重力加速度g的正方向；实时读取加速度传感器的信号值，并将步进电机进行微调，如果发现信号值有极值出现则此时的极值为加速度传感器在重力加速度g的影响下的信号值，如果发现微调超过10度时还没出现极值，则命令步进电机返回到初始微调位置，并向方向微调直到极值出现。
/3/自动标定软件根据传感器信号值调整步进电机输出轴的转角，使输出信号取得极值；从而实现了所需标定的加速度传感器输出轴的方向与重力加速度g的方向一致；此时的步进电机输出轴转角位置定位零位基准；
/4/以零位基准为参考，自动标定系统会将会依次使步进电机输出轴旋转到0°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°、180°的位置或根据标定人员输入的角度进行旋转，并同时计入下此时的传感器信号值；此时的待标定的传感器输出轴所测量的加速度为重力加速度g在此轴方向上的分量，即此时的传感器输出轴所测量的值等于重力加速度g在此轴方向的分量；
/5/自动标定系统会根据传感器信号值和重力加速度g在加速度传感器待标定的传感器输出轴方向上的分量值，对角速度传感器信号值进行拟合，得到灵敏度、线性度等参数，从而完成传感器的标定。
以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离发明的实质和范围。

Claims (6)

1.一种MEMS角速度和加速度传感器自动标定方法，其特征在于：由步进电机旋转轴转速来标定角速度传感器、由重力加速度来标定加速度传感器，具体步骤如下：
A：角速度传感器标定步骤：
/1/将角速度传感器安装在安装台上，利用安装垫片使待标定的传感器角速度旋转轴与步进电机旋转轴同轴；
/2/通过步进电机控制模块输入一组20个固定的角速度，使步进电机依次按这组角速度旋转，每个角速度旋转10秒钟；同时信号采集器按500赫兹的采样频率对传感器信号进行采样并进行A/D转换后通过USB接口送入PC机；信号采集器通过USB接口与PC机相连接，PC机上的传感器信号值采集软件通过USB接口读取传感器信号值并进行存储；
/3/自动标定软件根据存储的传感器信号值和其对应的步进电机旋转轴角速度对传感器进行标定；得到角速度传感器的灵敏度和误差；
B：加速度传感器标定步骤：
/1/将加速度传感器安装在安装台上，使要标定的加速度轴向与步进电机旋转面垂直；
/2/通过步进电机控制模块将控制步进电机使要标定的加速度轴靠近重力加速度g方向；
/3/自动标定软件根据传感器信号值调整步进电机输出轴的转角，使输出信号取得极值；从而实现了所需标定的加速度传感器输出轴的方向与重力加速度g的方向一致；此时的步进电机输出轴转角位置定位零位基准；
/4/以零位基准为参考，自动标定系统会将会依次使步进电机输出轴旋转到0°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°、180°的位置或根据标定人员输入的角度进行旋转，并同时计入下此时的传感器信号值；此时的待标定的传感器输出轴所测量的加速度为重力加速度g在此轴方向上的分量，即此时的传感器输出轴所测量的值等于重力加速度g在此轴方向的分量；
/5/自动标定系统会根据传感器信号值和重力加速度g在加速度传感器待标定的传感器输出轴方向上的分量值，对角速度传感器信号值进行拟合，得到灵敏度、线性度等参数，从而完成传感器的标定。
2.如权利要求1所述的MEMS角速度和加速度传感器自动标定方法，其特征在于：所述的步骤A./2/中步进电机控制模块根据输入的控制角速度和角度通过RS232串口发送给步进电机执行控制模块，然后步进电机执行控制模块根据命令来产生相应的方波信号，并将方波信号发送给步进电机驱动器后，步进电机驱动步进电机旋转轴按设定的角速度和角度旋转。
3.如权利要求1所述的MEMS角速度和加速度传感器自动标定方法，其特征在于：所述的步骤A./2/中传感器信号值采集软件是通过USB来读取信号采集器上数据并存储在PC机内，以供下一步的自动标定。
4.如权利要求1所述的MEMS角速度和加速度传感器自动标定方法，其特征在于：所述的步骤B./2/中要标定的加速度轴与重力加速度g平行，方法为：首先人工利用步进电机控制软件将传感器的加速度轴的正方向接近重力加速度g的正方向；实时读取加速度传感器的信号值，并将步进电机进行微调，如果发现信号值有极值出现则此时的极值为加速度传感器在重力加速度g的影响下的信号值，如果发现微调超过10度时还没出现极值，则命令步进电机返回到初始微调位置，并向方向微调直到极值出现。
5.一种如权利要求1所述的自动标定方法所使用的自动标定系统，其特征在于：包括传感器安装台、带USB接口及A/D转换功能的信号采集器、步进电机控制模块、步进电机执行控制模块、传感器信号值采集模块以及自动标定模块；所述的步进电机控制模块、传感器信号值采集模块和自动标定模块都在PC机上执行；步进电机执行控制模块在单片机上执行；步进电机控制模块还拥有PC机上人机界面；步进电机控制模块和步进电机执行控制模块采用细分技术，对步进电机旋转轴旋转角度与旋转速度进行细分。
6.如权利要求4所述的MEMS角速度和加速度传感器自动标定系统，其特征在于：所述的传感器安装台至少有2个传感器安装面；其中一个与步进电机旋转轴平行，另一安装面与步进电机旋转轴垂直；每个安装面上有4个螺孔和安装位置调整垫片。
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