1 三轴加速度传感器在智能车控制与道路识别中的应用

赵小平 程志江 张永瑞 段志尚

摘要：三轴加速度传感器MMA7260Q可以测量智能车惯性大小，选取最佳

重心位置，并能准确定位智能车处于直线、弯道、坡道、漂移等运行状态；利用加速度传感器能够提前预测路径，并判断何时刹车效果最佳。并且很好的解决了在直立行走车模的平衡与方向识别。 关键词： 智能车； 加速度传感器；MMA7260Q；道路识别；

引言： 提出了一种基于三轴加速度传感器在智能车中的控制以及路径识别的设计。该设计采用三轴加速度传感器MMA7260Q测量智能车在运动中的加速度信号，以嵌入式单片MC9S12XSl28B作为核心控制器，对加速度信号进行采样，A／D转换，再将特征数据存储在EEPROM中。很好地解决了智能车运动路径分析的问题以及在。实时获取小车加速度，从而更加全面的获取小车的运行状态，为控制的流畅性和更好的路况识别提供了可能。 在直立行走的车模中，应用同样的原理，选择最佳重心，可以很好地解决直立行走车模的平衡以及方向识别，从而加快车模的行车速度。 实验结果证明：结合加速度传感器具有很强的抗干扰性，提取角度信息更准确，确保了智能车在直道上能够以较高的速度行驶，在弯道则能基本不失速平滑地过弯。 1. 智能车现存问题 在车模运行当中，人无法判断小车的运行状态，使用加速度传感器来监控小车的加速度，这样可以更加精确地知道小车的运行状态，而且可以通过对某个方向加速度的变化的检测来区分出坡道和非坡道。从而进行相应的策略应对。避免小车在比赛时出现停车与翻车现象。以及很好地解决了直立行走的车模中在行走过程中的平衡性。 2

2.MMA7260Q简介 加速度传感器是Freescale公司出品的MMA7260Q。

图1 芯片引脚定义 2.1M M A 7 2 6 0 Q 的特性：

在一个设备中提供三轴向XYZ检测灵敏度，可选灵敏度：1.5g、2g、4g 和6g；功耗低，具有休眠模式，低压运行一般在2.2V~3.6V，能够快速启动，一般启动时间为1ms；其低噪音，封装一般为16针脚6mm x 6mm x 1.45mm无针脚型方体扁平封装（Q F N ）。 2.2M M A 7 2 6 0 Q 的优点 为多功能应用提供灵活的可选量程：包括1.5g、2g 、4g 和6g ；功耗低，可延长电池使用寿命 开机响应时间短，最适合电池供电手持设备的休眠模式，组件数量少-节约成本和空间噪音低、灵敏度高，具有自适应功能，频率及解析度高，提供精确的坠落、倾斜、移动、放置、震动和摇摆感应灵敏度不同应用的建议重力加速度级别自由落体检测：1g~2g 倾斜控制：1g~2g。 2.3加速度传感器应用分析 2.3.1干扰因素分析 芯片可以测试一个方向上的加速度变化。所以采用了不同的安装方式，其间要考虑到比较多的干扰因素。 一、车体行进过程中的机械振动 3

二、速度控制不平滑对车体运动状态的影响 三、常规情况下的误差和正常时，加速度传感器产生的输出区别大小 2.3.2安装方式分析 若安装于安装摄像头的立杆上，杆子在小车加减速的时候有比较明显的左右晃动，通过Labview观察发现干扰过大。若安装于小车后部，由于电机自身的振动，对MEMS产生的影响会较之前更为明显。 经测试，如果测量水平X方向的加速度，宜将装有MMA2260的电路板装载在车前部。

图二 加速度传感器安装方式 若在直立行走车模上安装，则要测量竖直Z方向上的加速度。

图三 直立行走车模安装示意图

Z轴 加速度传感器 X轴

Y轴 车模运行方向

电池

加速度传感器

车模运行速度 X轴

Z轴 Y轴 4

2.4硬件电路设计 MMA7260Q信号采集模块设计加速度信号采集模块如图1所示。x，l，，z 3个相互垂直方向上的加速度由G-Gell传感单元感知，电容值经过容压变换器转换为电压值，经过增益放大器、滤波器和温度补偿以电压的形式作为输出信号拉J，经过放大滤波处理，将所需模拟信号调整至一个合适的范围，再转换为数字信号送数据处理单元。

图四 加速度信号采集结构图 加速度传感器与单片机的接口电路MMA7260Q与MC9S12XSl28B的硬件接口电路如图2所示。微处理器内部包含完整的地输入缓存器、模拟开关电路、可编程增益放大器和A／D转换器以及数字滤波器，使用非常方便。G1，G2输入低电平，灵敏度达到800 mV／g。。当Mode=l时，加速度传感器处于正常工作状态。x，y，z输出端分别接RC滤波器，再通过高输出驱动运算放大器TLV4112构成电压跟随作用，输出稳定的直流电压信号。

图五 MMA7260Q与MC9S12XSl28B的硬件接口电路

A/D转换 信号处理 三轴加速度传感器 单片机数据处理 5

2.5软件设计实现 本设计采用CodeWamor软件与BDM作为调试工具，编程环境支持c语言和汇编语言的程序设计，大大方便了用户的程序设计，提高了系统开发效率。本设计程序代码使用C语言编写。

图六 加速度程序流程图 2.6 A／D采样流程设计 本设计主要包括单片机初始化模块和实时路径检测模块。 1)单片机的初始化模块包括：I／O模块，AD模块，定时中断模块初始化。 2)实时路径检测模块：利用接受管，红外光电传感器和CCD摄像头检测特征信号，利用加速度传感器检测角度信号，将返回信号输入单片机的输入端口，程序不问断地读入输入端口的信号，结合判断语句，得出合适的PWM控制信号。

系统初始化 开始 单片机 PWM控制舵机或(电机) 加速度传感器 -0.5gPWM控制舵机或(电机) PWM控制舵机(电机)

小车左转 (加速) -1.5g<=x(y)<= -0.5g 0.5g<=x(y)<=1.5g 小车左转 (匀速) 小车左转 (减速) 6 图七 主程序与中断程序流程图 2.7实验测试 图中曲线为时间和AD采集到的数据之间的关系。而AD采集到的数据可以用来反映加速度的变化情况

图八 装载于静止小车上时

N 单片机初始化 开始 定时中断使能 启动定时器

串口发送程序 数据处理 控制PWM输出

定时器中断处理 保护现场 关中断

信号采样，A/D转换 i=i+1 定时器赋值 现场恢复 开中断 返回

N Y 采样i=10 Y 7

图九 装载于运动状态不变小车上时

图十 小车角度变化时 通过测试可以看出。对于车体角度的变化，加速度传感器的值都有一定的变化。不过同时也看到车子的振动对加速度传感器也会产生一些干扰。 在识别坡道时，如果加速度传感器监控的是竖直方向的加速度，即z方的加速度，那么在平道上时，明显竖直方向上加速度为零，在上坡后，如果忽略摩擦力，那加速度将变化为cossing。通过加速度传感器中加速度的

-1.5g 1.5g

0 8

变化可以容易的辨别出平道和坡道。 2.8数字滤波算法设计 由于加速度传感器三轴之间差异和较高灵敏度，防止在运动过程中由于智能车的抖动引起的误差，对单片机采样得到的电压值进行归一化处理，最后可得到各方向传感器的相对电压值。具体实现方法：让智能车后轮转动起来，分别记录各传感器输出信号的最大值和最小值，用最大值减去最小值得到各传感器在运动过程中的输出范围。在智能车行驶过程中将各方向传感器输出的信号值减去最小值，再除以各方向传感器的输出范围即可得到其相对输出值。根据g1=g2=0，最小值对应着-1.5g，最大值对应着+1．5g。，静止时各向加速度值为0，加速度范围为-1.5g一+1.5g。 2.9路径识别规则 X-T表示智能车前后方向加速度信号，Y-OUT表示智能车左右方向加速度信号，Z-T表示智能车上下方向加速度信号．采样值经过数字滤波，由于智能车的底盘不可能保持绝对水平，车身可能会向前倾斜或者向后倾斜，所以，Y-OUT，X-UT，Z-OUT值都有5％的误差，当处于匀速直线运动时，采样值在100～110之间波动。通过加权平均近似为105，125对应+1.5g， 80对应-1.5g。 3 结束语

MMA 7260Q是一种电容式加速度传感器，融合了信号调理，单极低通滤波和温度补偿技术。成本低，功耗低，测试中加速度信号稳定性与灵敏度都达到了预期的效果，从而提高了系统的控制精度，使舵机响应速度变快。 基于三轴加速度传感器在智能车的控制与路径识别的设计，相比传统的路径识别具有数据处理简单，控制精度高的特点，使舵机响应变快。可以广泛应用与无人驾驶智能车，智能仪表，机器人等高端技术领域。

4 参考文献： 9

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