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利用加速度傳感器測(cè)量物體的傾斜角度
1 說(shuō)明
測(cè)量物體的傾斜角度是加速器傳感器的一種常見(jiàn)的應(yīng)用。雖然其基本原理十分簡(jiǎn)單，但是在具體實(shí)現(xiàn)中仍然會(huì)遇到很多困難，比如傾斜角度的精度問(wèn)題，數(shù)學(xué)計(jì)算過(guò)于復(fù)雜等等。本文將對(duì)精度問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)討論，并給出一種簡(jiǎn)化的計(jì)算方法。
2 基本原理
由于加速度傳感器在靜止放置時(shí)受到重力作用，因此會(huì)有 1g 的重力加速度。利用這個(gè)性質(zhì)，通過(guò)測(cè)量重力加速度在加速度傳感器的 X 軸和 Y 軸上的分量，可以計(jì)算出其在垂直平面上的傾斜角度。
這樣，根據(jù)以上原理一個(gè) 2 軸加速度傳感器可以測(cè)量在 X-Y 平面上的傾斜角度。
需要注意的是，2 軸加速度傳感器只能測(cè)量 X 軸和 Y 軸上的重力分量，因而只能測(cè)量 因而只能測(cè)量 X-Y平面上的傾斜角度 。可是由于物體在空間傾斜的時(shí)候，很難保證傾斜*在 X-Y 平面上，這樣只使用 2 軸加速度傳感器進(jìn)行測(cè)量會(huì)存在局限性，因此，我們考慮使用 3 軸加速度傳感器。如下圖所示，3 軸加速度傳感器可以測(cè)量 X 軸、Y 軸和 Z 軸的重力分量，計(jì)算空間傾斜角度的公式可以推廣為 。
這個(gè)公式就是本文中用來(lái)測(cè)量物體傾斜角度的基本原理。需要說(shuō)明的是，這里利用的是物體在靜止時(shí)受到重力的性質(zhì)，如果物體同時(shí)也有運(yùn)動(dòng)加速度的話，那么這個(gè)公式將不再準(zhǔn)確。所以必須為公式增加一個(gè)限制條件，即
3 硬件實(shí)現(xiàn)
目前，在消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品中使用的加速度傳感器分為數(shù)字輸出 （例如 ADXL345）和模擬輸出 （例如 ADXL335）兩種。數(shù)字輸出的加速度傳感器可以直接通過(guò) I2C 或 SPI 總線與 MCU 進(jìn)行連接；模擬輸出的加速度傳感器則需要使用 ADC 進(jìn)行采樣?，F(xiàn)在，普遍使用的 MCU 中基本都有內(nèi)置的 ADC 通道，所以無(wú)論是數(shù)字輸出還是模擬輸出的加速度傳感器都可以非常容易地和 MCU 進(jìn)行連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能。
測(cè)量物體的傾斜角度是加速器傳感器的一種常見(jiàn)的應(yīng)用。雖然其基本原理十分簡(jiǎn)單，但是在具體實(shí)現(xiàn)中仍然會(huì)遇到很多困難，比如傾斜角度的精度問(wèn)題，數(shù)學(xué)計(jì)算過(guò)于復(fù)雜等等。本文將對(duì)精度問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)討論，并給出一種簡(jiǎn)化的計(jì)算方法。
2 基本原理
由于加速度傳感器在靜止放置時(shí)受到重力作用，因此會(huì)有 1g 的重力加速度。利用這個(gè)性質(zhì)，通過(guò)測(cè)量重力加速度在加速度傳感器的 X 軸和 Y 軸上的分量，可以計(jì)算出其在垂直平面上的傾斜角度。
這樣，根據(jù)以上原理一個(gè) 2 軸加速度傳感器可以測(cè)量在 X-Y 平面上的傾斜角度。
需要注意的是，2 軸加速度傳感器只能測(cè)量 X 軸和 Y 軸上的重力分量，因而只能測(cè)量 因而只能測(cè)量 X-Y平面上的傾斜角度 。可是由于物體在空間傾斜的時(shí)候，很難保證傾斜*在 X-Y 平面上，這樣只使用 2 軸加速度傳感器進(jìn)行測(cè)量會(huì)存在局限性，因此，我們考慮使用 3 軸加速度傳感器。如下圖所示，3 軸加速度傳感器可以測(cè)量 X 軸、Y 軸和 Z 軸的重力分量，計(jì)算空間傾斜角度的公式可以推廣為
這個(gè)公式就是本文中用來(lái)測(cè)量物體傾斜角度的基本原理。需要說(shuō)明的是，這里利用的是物體在靜止時(shí)受到重力的性質(zhì)，如果物體同時(shí)也有運(yùn)動(dòng)加速度的話，那么這個(gè)公式將不再準(zhǔn)確。所以必須為公式增加一個(gè)限制條件，即
3 硬件實(shí)現(xiàn)
目前，在消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品中使用的加速度傳感器分為數(shù)字輸出 （例如 ADXL345）和模擬輸出 （例如 ADXL335）兩種。數(shù)字輸出的加速度傳感器可以直接通過(guò) I2C 或 SPI 總線與 MCU 進(jìn)行連接；模擬輸出的加速度傳感器則需要使用 ADC 進(jìn)行采樣?，F(xiàn)在，普遍使用的 MCU 中基本都有內(nèi)置的 ADC 通道，所以無(wú)論是數(shù)字輸出還是模擬輸出的加速度傳感器都可以非常容易地和 MCU 進(jìn)行連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能。
