基于MEMS加速度计和陀螺仪的倾角测量系统的研究

摘要

现今，微机电系统的不断发展带动了诸如加速度计、陀螺仪等元件的相关应用，越来越多的学者致力于与其相关的研究中。在许多应用中，比如空间飞行器的惯性测量系统、设备安装以及建筑、路面、港口等工程机械领域都需要进行倾角的测量，虽然倾角传感器的测量精度较高，但价格比较昂贵，相对来说，微加速计和微陀螺仪的成本就低的多，且体积微小，稳定性和可靠性方面也较高，因此使用微加速计和微陀螺仪来组成倾角测量系统存在一定的优势。大多数研究仅使用微加速计进行倾角测量的构建，但由于加速计在高速运动过程中会受到运动加速度的影响，从而对角度的测量产生误差;另一方面，如果单独使用陀螺仪进行角度测量，虽然陀螺仪在高速运动中测量精度较高，但最终要得到的角度是将陀螺仪测量的角速度通过积分运算获取，在这过程中，误差便会因为陀螺仪的漂移而不断累积，因此将加速计和陀螺仪进行融合获取角度值是有必要的。鉴于此，本研究首先从“均值、标准差和极差值”方面分析、比较互补滤波器、梯度下降法和卡尔曼滤波器这几种常用的融合方法的精确度，最终确定使用精确度最高的互补滤波器，将其应用于加速计信号和陀螺仪信号的融合。最终，提出了一个低成本的、高精度的倾角检测系统，使用ADuC7020型号的微控制器负责处理惯性感测器测量到的信号，这是其中最重要的一环，负责读取传感器的信号，对传感器初始化、校准，将加速度信号和角速度信号通过互补滤波器进行融合从而获取高精度的倾角信息等等。其中所使用的惯性感测器为型号MPU9150的三轴加速度计和三轴陀螺仪，负责收集数据，微控制器处理数据之后再将最后计算得到的角度通过Bluetooth无线传输发送到PC端（通过MFC编程实现的图形化界面）进行显示。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究意义

1．3 本文的主要工作内容及章节安排

第二章 加速度计在帕金森震颤上的应用研究

2．1 数据收集模块

2．2 数据处理模块

2．2．1 严重度判断

2．2．2 滤波

2．2．3 震颤的变异度

2．3 数据显示模块

2．4 帕金森震颤监测系统的整体架构

2．5 本章小结

第三章 融合算法

3．1 互补滤波法

3．2 梯度下降法

3．3 卡尔曼滤波法

3．4 本章小结

第四章 实验验证

4．1 实验目的

4．2 滤波方法介绍

4．2．1 巴特沃斯低通滤波

4．2．2 FIR低通滤波器

4．2．3 移动平均滤波

4．2．4 中值滤波

4．2．5 滤波方法选择和相关参数设定

4．3 实验过程

4．4 实验结果分析

4．5 本章小结

第五章 系统设计

5．1 传感器模块

5．2 微控制器模块

5．3 接收模块

5．4 整体架构

5．4．1 系统流程

5．4．2 运行时间

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研工作

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