CN111060150B

CN111060150B - 基于mems加速度传感器和气压传感器的运动载体监测方法

Info

Publication number: CN111060150B
Application number: CN201911232727.1A
Authority: CN
Inventors: 王智奇; 李荣冰; 刘建业
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2019-12-05
Filing date: 2019-12-05
Publication date: 2021-04-20
Anticipated expiration: 2039-12-05
Also published as: CN111060150A

Abstract

本发明公开了一种基于MEMS加速度传感器和气压传感器的运动载体监测方法，将MEMS加速度传感器与气压传感器固连在运动载体上，利用消抖滤波的方法采集加速度传感器信号通过设定运行状态标志位，以此划分载体运行状态，以加速度积分计算速度变化量和高度变化量，基于识别载体运行状态中的制动过程的时间和制动末端的速度信息，修正该运行过程中由于MEMS加速度传感器零偏误差造成的积分误差，最后与气压传感器解算高度进行综合，最终实现基于加速度传感器和气压传感器，对目标载体的速度、位置的精确测量与监测。

Description

基于MEMS加速度传感器和气压传感器的运动载体监测方法

技术领域

本发明涉及MEMS传感器信号处理方法技术领域，尤其涉及一种基于MEMS加速度传感器和气压传感器的运动载体监测方法。

背景技术

近年来，随着微电子技术、集成电路技术和加工工艺的蓬勃发展，MEMS传感器（微型电子机械系统）以体积小、重量轻、功耗低、价格便宜的特点，极大促进了传感器的微型化、智能化。

加速度传感器是一种能够测量加速度的MEMS传感器，通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。将加速度传感器构成的惯性测量单元直接固连在运动载体上，可以感受运载体运行过程中的加速度变化并且将其转化为可用的输出信号。但是由于加速度MEMS传感器精度低，干扰大，在解算过程中需要对加速度做二次积分处理，引入了累积误差的问题，此外由于数据采集过程中出现LINUX系统定时器时间不够精准，导致积分时间的减少，都对最终的监测结果具有较大的影响。气压传感器可以提供载体运行时气压变化，通过气压变化可以转化为高度变化，然而气压变化只能解算高度变化，无法判断速度变化，这就限制了载体运行时的速度数据显示，不具备完整的监测功能。因此，针对MEMS加速度传感器对目标载体运行过程进行监测算法研究，具有非常重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于MEMS加速度传感器和气压传感器的运动载体监测方法，减小加速度传感器易受干扰且精度低所带来的影响。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于MEMS加速度传感器和气压传感器的运动载体监测方法，所述载体具有静止、加速启动、匀速运动、减速制动、制动停止或者静止、加速启动、匀速运行、制动停止的周期运动特征，包括以下步骤：

步骤1），在载体上设置用于测量载体加速度的MEMS加速度传感器和用于测量载体所在处大气压的气压传感器，并设定MEMS加速度传感器以及气压传感器数据输出方式，令速度V为0，位移S为0，补偿量X为0，时间参数γ为0；

步骤2），设定MEMS加速度传感器数据积分周期时间T；

步骤3），采集MEMS加速度传感器静止时的三个轴向均值加速度，设定MEMS加速度传感器相应于运动载体运动轴的轴向为主轴向，令MEMS加速度传感器静止时其主轴向的均值加速度为M；

步骤4），从气压传感器获取气压数据P后解算成高度数据H；

步骤5），将MEMS加速度传感器主轴向的加速度与M作差，得到主轴向加速度的变化N，并将包含当前周期在内的前10周期T的加速度变化值N的均值作为当前时刻主轴向加速度的启动值A；

步骤6），根据A判断载体处于周期运动特征中的阶段位置，将A分别和预先设定的加速度阈值α、β比较，判断载体运动状态：

若A大于等于α：此时载体处于周期运动特征中的加速启动阶段；

若A小于α并大于等于β时，此时载体处于周期运动特征中的匀速运行阶段或静止阶段；

若A小于β，此时载体处于周期运动特征中的减速制动阶段；

步骤7），如果载体处于加速启动阶段：

步骤7.1），以周期T对N进行积分得到速度V与当前位移S，并记录载体运行周期中加速的时间T1；

步骤7.2），令速度V等于加速度N以周期T积分后的结果减去0.1X，对当前速度进行补偿；

步骤7.3），更新补偿量X，补偿量X为当前位移S与H的差值；

步骤8），如果载体处于匀速运行或静止阶段，将位移S以速度V与周期T相乘后进行累加，若此时V不为0，记录载体运行周期中匀速运行阶段时间T2；

步骤9），如果载体处于减速阶段，将时间参数γ加1：

步骤9.1），若γ小于预设的制动时间变化量ε：

步骤9.1.1），以周期T对N进行积分得到速度V与当前位移S；

步骤9.1.2），令速度V等于加速度N以周期T积分后的结果减去0.1X，对当前速度进行补偿；

步骤9.1.3），更新补偿量X，补偿量X为当前位移S与H的差值；

步骤9.2），若γ等于ε，此刻时间为载体制动阶段结束时间，记录载体运行周期中减速制动时间T3；

步骤9.3），若γ大于ε：

步骤9.3.1），将γ置零，以周期T对N进行积分得到速度V与当前位移S；

步骤9.3.2），将速度V乘以 (T3+T2+T1)得到位移补偿量s；

步骤9.3.3），将位移S和s作差得载体一次周期运动过程中的最终位移；

步骤9.3.4），将速度V置零；

步骤10），跳转执行步骤4）。

作为本发明一种基于气压传感器辅助的MEMS加速度传感器运动监测方法进一步的优化方案，步骤3）中求取静止时刻加速度传感器三个轴向均值加速度并设定主轴向的步骤如下：

读取MEMS加速度传感器三个轴向的加速度数据，如果其中有两轴的加速度小于α并大于β，读取不少于200个积分周期时间T的MEMS加速度传感器三轴数据，计算MEMS加速度传感器的三个轴向均值加速度；然后将绝对值最接近重力加速度g的轴向均值加速度所在的轴线设定为相应于运动载体的运动轴的轴向、即主轴向。

作为本发明一种基于气压传感器辅助的MEMS加速度传感器运动监测方法进一步的优化方案，所述MEMS加速度传感器采用ADXL362加速度传感器，所述气压传感器采用BMP280气压传感器。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明针对MEMS加速度传感器传感器进行载体运动监测，采用控制载体运行过程加速时间以及运行过程减速制动时间，利用气压高度数据对加速度信号进行反馈控制的同时并利用载体停止运行时的残留速度，输出位置速度信息。本发明很好的减小了加速度传感器易受干扰所带来的噪声影响，在完成采集加速度信息后通过运动状态的识别，控制运动过程中的加速阶段和减速阶段，利用停止时的速度误差进行位移修正，可以大大提高监测数据精度，从而稳定可靠地实现载体运动监测。

附图说明

图1是本发明运动监测方法示意图；

图2是本发明设定MEMS加速度传感器主轴向处理流程图；

图3是本发明载体加速度数据初步处理流程图；

图4是本发明的实例载体示意图；

图5是本发明的实例所提供的在载体中运行实际监测结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

现有的载体运动监测方法主要是通过高精度的传感器分析处理数据监测载体运动，本发明设计了一种基于MEMS加速度传感器和气压传感器的运动监测方法，具体设计思想如图1所示，通过设定系统周期，采集MEMS加速度传感器数据以及气压传感器数据存储，采用消抖滤波的方法对加速度数据处理减小传感器易受干扰的影响，通过识别载体运动状态过程，将气压数据作用于加速度数据形成反馈控制，并识别载体运行状态中的制动过程的时间和制动末端的速度信息，修正该运行过程中由于MEMS加速度传感器零偏误差造成的积分误差。

本发明所述的运动监测方法的具体步骤如下：

步骤2），设定MEMS加速度传感器数据积分周期时间T；

步骤3），如图2，读取MEMS加速度传感器静止时三个轴向的加速度数据，如果其中有两轴的加速度小于α并大于β，读取不少于200个积分周期时间T的MEMS加速度传感器三轴数据，计算MEMS加速度传感器的三个轴向均值加速度；然后将绝对值最接近重力加速度g的轴向均值加速度所在的轴线设定为相应于运动载体的运动轴的轴向、即主轴向，令MEMS加速度传感器静止时其主轴向的均值加速度为M ；

步骤4），从气压传感器获取气压数据P后解算成高度数据H；

步骤5），如图3，将MEMS加速度传感器主轴向的加速度与M作差，得到主轴向加速度的变化N，并将包含当前周期在内的前10周期T的加速度变化值N的均值作为当前时刻主轴向加速度的启动值A；

若A小于β，此时载体处于周期运动特征中的减速制动阶段；

步骤7），如果载体处于加速启动阶段：

步骤7.3），更新补偿量X，补偿量X为当前位移S与H的差值；

步骤9），如果载体处于减速阶段，将时间参数γ加1：

步骤9.1），若γ小于预设的制动时间变化量ε：

步骤9.1.1），以周期T对N进行积分得到速度V与当前位移S；

步骤9.1.3），更新补偿量X，补偿量X为当前位移S与H的差值；

步骤9.3），若γ大于ε：

步骤9.3.2），将速度V乘以 (T3+T2+T1)得到位移补偿量s；

步骤9.3.4），将速度V置零；

步骤10），跳转执行步骤4）。

本发明的实验效果：

本发明的实例载体对象如图4所示，利用MATLAB对载体对象为电梯时运行的实时数据分析结果如图5所示，从图中可以看出MEMS加速度传感器在上述方法的实现下，能够大幅度提高载体运行监测精度。本发明提供了对一类具有静止——加速启动——匀速运动——减速制动——制动停止（或者静止——加速启动——匀速运行——制动停止）等周期运动特征的运动载体采用MEMS传感器实现高精度运动监测的算法本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.基于MEMS加速度传感器和气压传感器的运动载体监测方法，所述载体具有静止、加速启动、匀速运行、减速制动、制动停止的周期运动特征，其特征在于，包括以下步骤：

步骤2），设定MEMS加速度传感器数据积分周期时间T；

步骤4），从气压传感器获取气压数据P后解算成高度数据H；

步骤5），将MEMS加速度传感器主轴向的加速度与M作差，得到主轴向加速度变化值N，并将包含当前周期在内的前10周期T的加速度变化值N的均值作为当前时刻主轴向加速度的启动值A；

若A小于β，此时载体处于周期运动特征中的减速制动阶段；

步骤7），如果载体处于加速启动阶段：

步骤7.3），更新补偿量X，补偿量X为当前位移S与H的差值；

步骤9），如果载体处于减速阶段，将时间参数γ加1：

步骤9.1），若γ小于预设的制动时间变化量ε：

步骤9.1.1），以周期T对N进行积分得到速度V与当前位移S；

步骤9.1.3），更新补偿量X，补偿量X为当前位移S与H的差值；

步骤9.2），若γ等于ε，此刻时间为载体减速制动阶段结束时间，记录载体运行周期中减速制动时间T3；

步骤9.3），若γ大于ε：

步骤9.3.2），将速度V乘以 (T3+T2+T1)得到位移补偿量s；

步骤9.3.4），将速度V置零；

步骤10），跳转执行步骤4）。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS加速度传感器和气压传感器的运动载体监测方法，其特征在于，步骤3）中求取静止时刻加速度传感器三个轴向均值加速度并设定主轴向的步骤如下：

读取MEMS加速度传感器三个轴向的加速度数据，如果其中有两轴的加速度小于α并大于β，读取不少于200个积分周期时间T的MEMS加速度传感器三轴数据，计算MEMS加速度传感器的三个轴向均值加速度；然后将绝对值最接近重力加速度g的轴向均值加速度所在的轴线设定为主轴向。

3.根据权利要求1所述的基于MEMS加速度传感器和气压传感器的运动载体监测方法，其特征在于，所述MEMS加速度传感器采用ADXL362加速度传感器，所述气压传感器采用BMP280气压传感器。