采用微机械倾角传感器构成前端敏感电路，采用数字信号电路构成数字信号电路。完成了倾角电压信号的提取、卡尔曼数字滤波算法、零漂移抑制和全向信号合成，载波可以实现任意偏航方向(0。~ 360 .)较低的全平方倾角测量。采用卡尔曼数字滤波算法对倾斜信号进行处理，并利用仿真软件对倾斜信号进行降噪和抑制波动。针对系统的零漂移问题，设计了一种软件算法来跟踪零漂移并消除零误差。结果表明，-z和y轴的稳定性分别提高了10个百分点。9倍、5倍和12.75倍，满足非线性度要求。

0引言

       惯性技术是利用牛顿经典力学和现代物理原理来测量和控制运动物体的姿态和轨迹的一种应用技术。主要研究内容包括惯性表、惯性系统、惯性导航、惯性制导、惯性测量等。惯性传感器是制导、导航和武器对准系统的核心部件。倾角传感器作为一种可居住性装置被广泛应用。在军事上，主要应用于高精度车载雷达自动调平系统、坦克火控系统等领域。在民用方面，主要用于钻井勘探、探井、交通轨道测量、大地测量、大坝、地震监测等。

       目前，一般采用加速度计的角度测量方法来测量角度倾斜角度。测量原理是基于对重力方向的灵敏度，在加速度计的两个轴上测量重力加速度度的分量。从角度确定加速度计的倾斜角。倾角传感器具有精度高、性能稳定、可靠性高、使用方便等特点。在实际应用中，需要使用倾角传感器来保证被测载体在任何方向发生偏转时都能准确地传输倾角信号。这对船舶姿态控制和浮标控制具有重要意义。

      本文选用两台高精度微型机械(M E M S)单轴倾斜传感器SCA 103t - d04作为传感元件，并将其垂直放置。对原始倾角信号进行滤波、零漂移抑制处理和全方倾角信号合成，得到全方倾角测量结果。其中，利用计算机软件对卡尔曼数字滤波和零跟踪算法进行了研究，并结合MLB对数字滤波算法进行了仿真。

1结构原理

1.1全方位测量原理

       单轴倾斜传感器对物体在水平面上沿指定水平轴旋转的倾斜角很敏感。然而，载体的倾斜可以是围绕水平面(水平0)的任何方位角。~ 360)。因此，需要传感器能够检测到载体在任何偏差角度下的倾斜角，即全方位倾斜度测量]。

       图1给出了倾斜传感器与水平线标度系统的倾斜角(O-x O- y)与传感器所在坐标系(O-x y)的关系。从图1中可以看出，倾角传感器的水平线旋转轴位于水平线标度系统的x - O- y平面内，相对于O-x轴的方角为a(0。~ 360);倾角0是传感器测量的平面法线与z轴之间的夹角，即水平面或载体的0。待测平面的两轴z、Y与水平面上的投影轴z、Y夹角分别为0、0y，待测平面的法向轴z与待测平面的法向轴z与水平面的夹角为0。同时，倾角传感器的输入基轴感知加速度a (i)， z, Y轴)与基轴倾角0的关系为

式中 ：g 是基准轴倾角为时在基准轴上重力加速度的分量；g为重力加速度 [7] 。 设传感器的两个输人基准轴分别为z 、Y 方 向 ，输入基准轴方向的加速度分别为 a 、n ， 则重力加速度在坐标 系 x O y 平 面内的分 量 口扣 为

将式 (2 ) 代人加速度和倾角的关系式可得

图 1 全方 位倾 角坐标示意 图

       本文使用单片机对信号进行软件处理。 但对信号进行求解正切函数和反正切函数 ，需要大量内存和很高的计算速度。 因此 ，在实际使用中一 般使用近似算法。 在0较小时，待测平面的倾角为

       对于全方位倾角信号的获得，可按照式 (4 ) 进行计算，即取Y轴倾角信号的平方和平方。

1. 2 系统信号处理结构

       该全方位倾角测量系统包括敏感电路、信号处理电路和输出电路。该敏感电路由两个相互垂直放置的SCA 103t - d04芯片组成，对倾角信号敏感。高精度单轴倾斜传感器sca103t - d04是芬兰VTI科技公司研制的一种新型倾斜仪。它采用差分测量原理，采用高度集成的M - E - M - S传感器技术。提供液位测量仪表的液位性能。M E M S传感器以其体积小、重量轻、价格低、可靠性高、产量大等优点得到了广泛的应用。它有2个模式输出和1个数字SIPI接口，提供直接信号处理。在系统中，z轴和Y轴倾斜信号由两个垂直放置在一起的SCA 103t - d04芯片提供，并将X轴和Y轴的差异倾斜信号分为z轴和Y轴，共4种模式的伪倾斜电压信号，通过单片机实现A/D采样和差分运算计算。信号差的优点是可以提高产品的灵敏度，显著降低共模噪声。使用Y轴的输出来合成完整的方形倾斜角度信号。

       在数字电路部分，本文选用了AD公司的aduc812单片机，这是一种高性能的数据采集系统。单片机核心包含一个8通道12位高精度自校准ADAC、两个12位ADAC和一个可编程8位(兼容8051)MDAC u。数字电路完成采样、滤波、零抑制、全方位角信号合成和高精度D/A转换，产生全方位角位置和姿态状态角信号。信号处理电路的原始框图如图2所示。

2 位滤波和零漂移抑制

       利用单片机系统对传感器的敏感信号进行A/D转换，并进行卡尔曼滤波处理和零漂抑制处理。

2. 1卡尔曼滤波算法的实现

       测量后的系统初始倾角信号中含有噪声信号，导致信号波动，稳定性差。为了理解这个问题，我们采用了数字滤波方法——卡尔曼滤波。卡尔曼滤波器是一个基于最小均方误差准则的估计问题，描述了当输入是由白噪声[5]产生的随机信号时，期望输出与实际输出之间的均方根误差最小化的线性系统。它是一种基于“预测一次实测一次修正”的序列实时递归计算方法。假设随机线性色散系统的状态方程和测量方程分别为

      式中 ： x (K ) 为系统K时刻的状态矩阵；U (K) 为系统噪声矩阵；A 、B 为两个参数矩阵； Z (K) 为测量值；H为测量系统参数矩阵；V (K ) 为观测噪声矩阵。卡尔曼滤波的递推计算公式如下：

      在本文中，将z和轴的差分信号分离到卡尔曼数滤波器中。由于滤波是在系统真值未知的情况下进行的，最接近的测量值似乎就是原来的系统真值，所以在逼近的过程中，有可能去除噪声信号，保留原来的基本信号。在评价滤波效果时，应主要考虑倾斜信号的保真度及其波活度的降低[8]。本文利用MAS T-L AB软件进行仿真分析，在测试过程中，将采样差分后的原始z轴和Y轴倾斜角信号通过由MAS T-L AB设计的卡尔曼滤波器进行处理，并对输出波形及其标准差进行分析。

      为了验证卡尔曼滤波的处理效果，分别对y轴静态测量数据进行了测试。本文将原始信号与经过卡尔曼滤波的信号进行比较，得到预滤波和后滤波的信号。z轴和Y轴的数据对比曲线如图3和图4所示。表1给出了原始数据与卡尔曼滤波方法的标准差比较。

图 3 z 轴滤波前后输出数据比较

图4 y轴滤波器输出数据前后对比 

      由图3和图4可以看出，经过滤波后，系统的随机噪声明显降低，输出信号的保真度和稳定性明显提高，y轴的稳定性分别提高了10。95次和12..七次，五次。

2. 2零漂移抑制设计

sca103t - d04单轴倾斜传感器在工作过程中存在时间漂移和温度漂移，会影响倾斜角检测系统的零输出。在实际焊接电路的过程中，会出现安装误差，并且会输出阴影倾斜角检测系统的零位置。利用零位漂移抑制思维软件对针对系统存在的问题进行实时修正。包括卡尔曼滤波算法和零位漂移抑制在内的软件流程图如图5所示。

4 总结

      介绍了全方形倾角传感器的灵敏度原理和系统信号处理技术。倾角测量系统的敏感元件选用微机械式倾斜传感器SCA103T-D04，信号处理部分由ADUC812芯片隔开。采用卡尔曼滤波算法降低倾角信号中的噪声，提高倾角信号的稳定性。结果表明，z轴和Y轴的稳定性提高了10%。9 5乘以12。七十五次;为了消除零点误差，满足传感器非线性的要求，提高全方倾角传感器测量系统的精度和可靠性，设计了零漂移抑制软件算法。

引用:

[1]王伟。惯性技术研究现状及发展趋势[j]。自动化学报，2013,39(6):7 23—7 29。

[2]宋海玲，马一清。惯性技术的发展和应用需要进行分析。现代国防技术，2012,40(2):55-59。

[3]陆昊，魏晓峰，庞秀芝。惯性技术在精确制导武器中的应用与发展[J]。电光与控制，2007,14(3):45-47。(中文)

[4]朱斌，郑娟。美国惯性导航制导技术的新进展[J]。中国航天科学，2008(1):43-45。

[5]张艳玉，史振斌，李世光，等。一种新型倾角传感器的设计[J]。科技创新导报，2013(22):63。

[6]蒲林华，崔雪梅，王旺，等。微机械全向水平姿态传感器的研究[J]。压电与声光，2012,34(2):207—209。

[7]林宇，蒲林华，张福学。全向气体倾斜角传感器结构原理[J]。电子元件与材料，2006,25(5):19—22。

[8]郭英石，王畅，张亚琪。噪声方差对卡尔曼滤波结果的影响分析[J]。计算机工程与设计，2014,35(2):641-645。

[9]关吉。卡尔曼滤波的仿真与实现[J]。东南交通，2014(6):17 8-1 81。

[10]刘爱华，李登华，董必成。高精度双轴倾角检测装置的设计与实现[J]。北京信息科技大学学报(自然科学版)，20,13,28(5):51-55。

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