AN5551應(yīng)用筆記-工業(yè)應(yīng)用中的精密傾斜感知（中文版）

引言

在本應(yīng)用筆記的指導(dǎo)下，用戶可在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)環(huán)境中選擇最合適的意法半導(dǎo)體傳感器進(jìn)行角度測(cè)量。

傾角計(jì)用于測(cè)量相對(duì)于地球重力矢量的傾斜、坡度或傾角。傾角計(jì)廣泛應(yīng)用于游戲控制器、土地測(cè)量、飛機(jī)飛行控制器、衛(wèi)星天線、平臺(tái)調(diào)平、太陽(yáng)能電池板、車輛、照相機(jī)、手機(jī)等方面，以及工業(yè)和醫(yī)療平臺(tái)調(diào)平領(lǐng)域。

傾斜估測(cè)中使用的典型技術(shù)包括液體電容傳感、液體中的氣泡、電解質(zhì)、MEMS 加速度計(jì)或 imu。MEMS 傾角計(jì)因其較小的尺寸、低廉的成本和易于集成而廣受歡迎。MEMS 技術(shù)的最新進(jìn)展進(jìn)一步降低了噪聲、尺寸和功耗。

根據(jù)所使用的算法，傾角計(jì)主要分為兩類：

• 靜態(tài)傾角計(jì)主要用于靜態(tài)應(yīng)用，例如天線或平臺(tái)穩(wěn)定和監(jiān)測(cè)、建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）、農(nóng)業(yè)設(shè)備中的主動(dòng)側(cè)翻保護(hù)（ARP）、機(jī)器人位置感知和控制、太陽(yáng)能電池板安裝和跟蹤器、工業(yè)機(jī)械底盤調(diào)平、精密水準(zhǔn)儀。在這些應(yīng)用中，平均加速度始終接近地球重力（g = 9.81 m /秒2或 32.2 英尺/秒2）或僅經(jīng)歷短期外部加速度，因此靜態(tài)傾角計(jì)是傾斜角的合適解決方案，能夠提供可靠的精度 。外部加速度（任何類型的運(yùn)動(dòng)，如移動(dòng)、振動(dòng)等）會(huì)在靜態(tài)傾角計(jì)的傾斜測(cè)量中引入誤差。
• 動(dòng)態(tài)傾角計(jì)是一種用于測(cè)量物體相對(duì)于重力矢量的坡度（傾斜度）、高度或下垂度的解決方案，而該物體并非靜止且會(huì)經(jīng)受快速運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)或沖擊。由于傾角計(jì)僅依靠重力加速度的投影來測(cè)量物體相對(duì)于重力矢量的角度，因此任何外部加速度（任何類型的運(yùn)動(dòng)，如移動(dòng)、振動(dòng)等）都會(huì)在傾斜測(cè)量中引入誤差。為了克服這個(gè)問題，除了加速度計(jì)之外，還可以使用陀螺儀。這種使用 IMU 并利用高級(jí)算法（例如：卡爾曼濾波器）來組合兩個(gè)傳感器測(cè)量值的解決方案被稱作動(dòng)態(tài)傾斜儀，能夠?qū)铀俣扔?jì)和陀螺儀的信號(hào)進(jìn)行處理，以獲得來自各個(gè)傳感器的無誤差值。

表示重力矢量和傳感器/設(shè)備軸之間角度的傾角可以用三個(gè)不同的分量在三維空間中表示。不同行業(yè)的表示方式各有不同，具體取決于傳感器的傳感軸數(shù)。在下一節(jié)中，我們將描述使用加速度計(jì)和不同軸模式計(jì)算傾角的原理。