加入陀螺儀與傾斜傳感器　數(shù)字三軸角度儀測量快又準

傳統(tǒng)的角度測量儀有液體及玻璃裝置，整體結(jié)構(gòu)體積龐大，使用不當容易發(fā)生破裂狀況，因此產(chǎn)品壽命較短，而且在使用上必須要等到氣泡到達平衡位置才可觀察正確的角度，測量過程不僅耗時且精度較低；而目測式的角度測量儀無法產(chǎn)生電子訊號來控制其它組件，即使以水銀液滴來取代氣泡，藉由電路整合轉(zhuǎn)成電子式的訊號輸出，也會因為結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定產(chǎn)生角度量測上的誤差，因此本文將以其它方式來測量平臺的傾斜角，改善傳統(tǒng)角度測量儀缺點。

為改善傳統(tǒng)角度測量儀的缺點，可利用三軸加速度計(Accelerometer)測量平臺的傾斜角度，當測量儀放置在傾斜面時，三軸重力加速度會因傾斜面角度的改變而輸出不同的電壓值，且電壓值與角度呈現(xiàn)比例關(guān)系，因此可藉由電壓值的大小反推平臺傾斜的角度，透過單芯片的應用，將三軸加速度計的輸出電壓轉(zhuǎn)換成角度顯示在液晶顯示器(LCD)上，使用者即可知道平臺傾斜的角度，甚至可測量平面的水平度。

精密陀螺儀加持　傾斜傳感器性能升級

由于許多如汽車、飛機、機械平臺等自動化設備，都須要測量設備本身傾斜的角度并將測量的結(jié)果回饋(Feedback)給控制系統(tǒng)，讓系統(tǒng)內(nèi)部的程序做出適當?shù)捻憫虼耍呔葍A斜傳感器(High-precision
Tilt Sensor)是現(xiàn)代化科技發(fā)展不可或缺的零組件，尤其在建筑產(chǎn)業(yè)的應用是更為廣泛。以著名的單人二輪電動滑板車賽格威(Segway)而言，在正常操作下幾乎不會傾倒，關(guān)鍵在有精密的陀螺儀及敏銳的傾斜傳感器，隨時偵測騎乘者身體重心移動的變化，運用微處理器搜集騎乘者數(shù)據(jù)仿真人體的平衡。

根據(jù)工業(yè)局分析，國內(nèi)業(yè)者要生產(chǎn)賽格威(Segway)尚有困難，主要是由于關(guān)鍵零組件陀螺儀及傾斜傳感器等技術(shù)尚待建立。有鑒于此，本文應用力學原理設計高精度傾斜傳感器，并使用8位系列芯片作為微控制器(MCU)，希望經(jīng)由這項研究能夠提升國內(nèi)傾斜傳感器的技術(shù)。

目前大部分傳統(tǒng)的傾斜傳感器的設計概念，大多以氣泡在重力場下的行為作為偵測角度之基礎，如圖1水平氣泡示意圖所示。當所測平面產(chǎn)生傾斜時，水銀氣泡會離開原來的中央位置，而右方或左方的二條金屬電極(粗線部分)會發(fā)生斷路現(xiàn)象，即可判別是右傾或左傾，但此種裝置只能判斷平面是否保持水平而無法提供角度偵測，僅能做為水平開關(guān)。

圖1 水平氣泡示意圖

如圖2水平氣泡幾何關(guān)系圖所示，其中S表示氣泡移動距離，R表示玻璃管曲面半徑，φ表示傾斜角度，則φ=(180×S)/(πR)。在一弧度玻璃管內(nèi)填充乙醚液體及保留一小氣泡于玻璃管中，當傾斜角度發(fā)生時，因物理傾斜重力的因素而使其沿著玻璃管弧面移動，管內(nèi)氣泡會往高的一端移動，精度越高的水平氣泡，其玻璃的曲率半徑會越大，玻璃管上的弧面設計可讓氣泡永遠保持在最高點，再根據(jù)玻璃管上的紅色刻度線，以目測方式來判讀傾斜角。

圖2 水平氣泡幾何關(guān)系圖

若將圖2中水平氣泡上的黑粗線改成金屬導線，氣泡改成水銀液滴，藉由電路整合就可轉(zhuǎn)成電子式的訊號輸出。以上所描述為傳統(tǒng)角度測量儀的原理，但傳統(tǒng)角度測量儀有液體及玻璃裝置，整體結(jié)構(gòu)體積龐大，使用不當容易發(fā)生破裂狀況，因此產(chǎn)品壽命較短，且在使用上須等到氣泡達平衡位置才可觀察正確角度，測量過程不僅耗時且精度也較低。此外，目測式的角度測量儀亦無法產(chǎn)生電子訊號來控制其它組件，即使以水銀液滴來取代氣泡，藉由電路整合轉(zhuǎn)成電子式的訊號輸出，也會因結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定產(chǎn)生角度量測上的誤差，因此必須以其它的方式來測量平臺傾斜角，改善傳統(tǒng)角度測量儀缺點。

加速度計利用撓曲/電路偵測位移

三軸加速度計是一種測量加速度的裝置，加速度計的廣泛使用使得自動化工業(yè)大幅降低成本。微機電系統(tǒng)(MEMS)加速計最常見于現(xiàn)代汽車的安全氣囊系統(tǒng)上，以偵測碰撞發(fā)生時車輛突然的減速度。加速度計只由一個懸臂和一個重錘組成，利用撓曲和電路來測量加速度，其工作原理為當加速度計本體產(chǎn)生移動或轉(zhuǎn)動時，使內(nèi)部互補式金屬氧化物半導體(CMOS)微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移，造成電容值的變化，該電容值再轉(zhuǎn)換為特定輸出電壓為訊號，藉此讓裝置做出相對的反應。本研究采用AGB3_V2三軸超小型加速度計，測定范圍從1.5～6倍的重力加速度(G)，使用防止噪聲的電容，內(nèi)藏放大器(Amp)，其接腳結(jié)構(gòu)如圖3所示，可直接與微處理器相接。

圖3 加速度計接腳結(jié)構(gòu)圖

加速度計輸入電源電壓是5伏特(V)，輸出電壓最大約3伏特，若選擇1.5G模式，輸出訊號呈現(xiàn)800毫伏特(mV)/G的線性關(guān)系，因此模擬訊號輸出電壓Vout與0度訊號電壓V0、加速度Zg的關(guān)系為公式1。

‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式1

在此例中利用傾斜時的重力關(guān)系，可以換算出傾斜角。對于位移而言，由X-Y-Z軸感測到電壓變化，可以得到加速度計本體的傾斜角度，如圖4所示，以ψ、ρ與θ分別代表X軸、Y軸與Z軸的傾斜角度，加速度Xg、Yg、Zg與傾斜角度之間的關(guān)系可由公式2～4描述。

圖4 加速度計本體的傾斜角度示意圖

‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式2

‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式3

‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥公式4

本例的輸入Xg、Yg、Zg與輸出傾斜角度訊號ψ、ρ與θ并非線性關(guān)系，因此可將輸出電壓訊號切割成很多個區(qū)間來處理，由于Sin函數(shù)在零度角(水平)附近，呈現(xiàn)正比線性關(guān)系，而且變化較為顯著，所以在30度角之前僅分割成三個區(qū)間，在30度角與90度角之間則分割成三十個區(qū)間，區(qū)間內(nèi)則以線性內(nèi)插求得，商品化時若考慮到精度問題只須在程序內(nèi)將區(qū)間分割得越細，即可將精度提高到所需要的范圍。

此外，輸出訊號均為模擬(Analog)的微小訊號，因此必須將訊號放大才能作進一步的處理，同時在一般的應用場合中往往還須要將訊號回饋傳送至微控制器中進行運算，因此必須將模擬式的訊號轉(zhuǎn)換成數(shù)字式(Digital)的訊號，才能讓微電腦讀取，這個程序是由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog
to Digital Converter, ADC)來達成。

在軟件方面，HT-IDE3000發(fā)展系統(tǒng)可提供完善的工作平臺。將所有的軟件工具，例如編輯器、組譯器、連結(jié)器、函式庫管理員和符號除錯器，整合成為一窗口環(huán)境，使程序發(fā)展過程更為容易。HT-IDE3000軟件還提供軟件仿真器功能無須接上HT-ICE仿真器，即可進行程序開發(fā)。

HT-IDE3000軟件仿真器可以仿真8位微控制器，以及所有HT-ICE仿真器之基本功能。利用以HT46R232 MCU為核心之控制器主體搭配一個LCD之訊號輸出模塊與荷重元量測系統(tǒng)作為輸入單元，并規(guī)畫HT46R232微控制器A埠(Port A)為輸出埠，B埠(Port B)為輸入埠。其中，基于HT46R232微控制器的控制器主體用來執(zhí)行邏輯、運算、計時、計數(shù)等功能，并透過數(shù)字輸出或模擬輸入模塊來進行角度測量動作，本范例的程序流程圖如圖5所示，其技術(shù)來源為作者自行研究的成果，并已提出發(fā)明專利的申請。