关于家用电器中监控数据的校准偏移方法的研究
时间：2023-02-17 09:55:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
王志辉 吕 琪 杨锦强
（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）
智能家用电器遍布了人们生活中的各个部分，监控车辆状态的智能运输监测仪占据着愈发重要的地位。利用传感器获取车辆行驶、运输过程中的准确、实际的三轴加速度数据，不断监测其安全性和稳定性[1]。当仪器发生不规则运动时，它会产生不同的振动或频率模式[2]，网络平台获得对应运动事件的状态参数，从而进一步获得车辆的运动事件及对应状态[3]。
本文研究了基于ADXL375加速度计的运输监控中数据校准偏移方法，此方法测量连续的时间内的偏移值是对校准结果的保障，从而提高了加速度计测量数据的准确性。
ADXL375是一款3轴数字MEMS加速度计，在1 600 Hz带宽下提供低功耗（145 μa）和高分辨率（98 mg/LSB）测量，最高可达±200 g，提供足够的动态范围以准确捕捉冲击事件。数字输出数据可通过SPI或I2C数字接口访问。0 g偏移作为测量加速度的基线和标准，是重要的加速度计指标。但是在组装载有加速度计的系统时，在对其他元器件进行焊接、安装时，任何操作都会对加速度计的测量结果有所影响。在系统组装完成后对加速度计进行校准，以补偿这些影响是必要的。
加速度计校准的核心原理是测量X、Y、Z轴数据的偏移值，因为加速度计内部自带偏移寄存器自动记录了X、Y、Z轴数据的偏移量，起到补偿偏移输出的作用[4]。偏移寄存器（寄存器0x1E、0x1F和0x20）包含8位二进制补码值，即加速度计所测得的X、Y、Z轴加速度值，这些值被自动记录至加速度计内部的数据寄存器。因为三个偏移寄存器的值均为附加值，因此三个偏移寄存器中的负值可以消除正偏移，正值则消除负偏移。
具体的校准过程如下：X、Y轴上的0 g偏移值测量结果为X0g、Y0g。因为Z轴测量在+1 g场完成，所以无调头或单点校准方案假定为Z轴的理想灵敏度SZ（20 LSB/g）。Z轴上的1 g偏移值测量结果为Z1g。加速度计X、Y轴的测量值XMEAS、YMEAS分别对应于X、Y轴偏移X0g、Y0g，通过从传感器输出中减去X0g、Y0g进行数据校准补偿，以获取实际值XACTUAL、YACTUAL，具体如公式（1）（2）所示：
从Z1g减去SZ得到Z轴偏移值Z1g，然后从测量值ZMEAS减去Z轴偏移，记为Z0g，获得实际值ZACTUAL的具体如公式（3）（4）所示：
本文提出了一种基于三轴加速度计的数据校准方法。校准过程主要分为三部分：准备校准、执行校准、校准结果显示。具体校准流程如图1所示。系统需在有效、合适的环境下进行校准，在最多n分钟时间内结束校准，在n分钟里出现连续三秒内三次的偏移值均在范围内的情况，则校准成功，否则校准失败。
图1 校准流程图
3.1 校准环境条件
本文提出的校准方法是基于重力场的静态校准，是对加速度计的零偏和标度因数进行高精度校准的最佳手段。校准条件的标准如下所示：大理石平面要求长*宽*高300*300**50 mm、重量19 kg、水平面平整度为≤3 μm，使用水泡仪将大理石桌面调至水平、静止[5]；
环境温度通常为室温25（20±5）℃；
相对湿度≤85 % RH[6]；
保证校准环境较安静、大理石桌面周围无较大的震动、噪声源以及大型器械、载具运行，并尽可能地减少人员的交流与走动。
3.2 准备校准
在3.1所述环境下，仪器平稳放置无调头，即静止时，在开机后，在10 s内，需要使其一直处于静止状态，即准备校准状态。10 s后仪器将自动进入开始校准状态。
3.3 执行校准
芯片手册建议100 Hz或更高数据速率的起点为0.1 s，即100 Hz数据速率下10个样本。仪器数据速率为1 600 Hz，采样160个样本，即1 s采样0.1 s数据计算偏移值X0g、Y0g、Z0g，偏移值为样本数据的均值。校准过程采样0.1 s数据计算偏移值写入传感器，每间隔一秒采样0.1 s数据计算偏移值，需连续计算3 s 3次三个轴的偏移值并判断是否均在允许误差范围内。若均在允许误差范围内则校准成功，则立即退出校准过程；
若不在允许误差范围内，则将3次偏移值均值写入传感器继续下一次校准，如此循环，在n分钟内有一次连续的3 s均在范围内就代表校准成功。若一直校准失败，n分钟计时结束则立即退出校准过程。
3.4 校准结果显示
经多次测试，总校准时长为3 min最为合适，其允许了多个范围的校准成功与否，以下实验均设定n为3。根据加速度计技术手册，X、Y、Z轴的加速度比例因子0.049 g/LSB，以下数据单位均为LSB。
实验1校准允许的误差范围为4/LSB，即0.2 g，在3.1所述环境下进行校准，3 s三个轴的偏移量均在范围内，结果显示校准成功。第一秒X、Y、Z轴的偏移量X0g、Y0g、Z0g为1、1、-2/LSB，即X、Y轴偏移0.05 g，Z轴偏移0.1 g；
第二秒X、Y、Z轴的偏移量为2、-2、-1/LSB，即X、Y轴偏移0.1 g，Z轴偏移0.05 g；
第三秒X、Y、Z轴的偏移量为0、0、4/LSB，即X、Y无偏移，Z轴偏移0.2 g。具体数据结果如表1所示。其中第三次的Z轴的偏移量Z0g的160个样本数据以及均值，如表2所示。
表1 实验1校准成功数据
表2 实验1第三次的Z轴的偏移量样本数
实验2校准允许的误差范围为2/LSB，即0.1 g，在3.1所述环境下进行校准，3秒三个轴的偏移量均在范围内，结果显示校准成功。第一秒X、Y、Z轴的偏移量X0g、Y0g、Z0g为 1、-1、1/LSB，即 X、Y、Z轴均偏移0.05 g；
第二秒X、Y、Z轴的偏移量为0、-2、0/LSB，即X、Z轴无偏移，Y轴偏移0.1 g；
第三秒X、Y、Z轴的偏移量为0、-1、1/LSB，即X无偏移，Y、Z轴偏移0.1 g。具体数据结果如表3所示。其中第三次的X轴的偏移量Z0g的160个样本数据以及均值，如表4所示。
表3 实验2校准成功数据
表4 实验2第三次的X轴的偏移量样本数据
实验3校准允许的误差范围为2/LSB，即0.1 g，在3.1所述环境有干扰的情况下，结果显示校准失败，即三分钟内未出现连续3 s内3次三个轴的偏移量X0g、Y0g、Z0g均在2/LSB范围内。第一秒X、Y、Z轴的偏移量X0g、Y0g、Z0g为1、1、-2/LSB，即X、Y偏移0.05 g，Z轴偏移0.1 g；
第二秒X、Y、Z轴的偏移量X0g、Y0g、Z0g为0、0、2/LSB，即X、Y无偏移，Z轴偏移0.1 g，前两秒的三个轴的偏移值均在允许的范围0.1 g内。数据显示第三秒校准失败，X、Y、Z轴的偏移量X0g、Y0g、Z0g为-1、0、3/LSB，即X轴偏移0.05 g，Y轴无偏移，具体问题是第三秒时Z轴的偏移量为3/LSB，已超过设定的误差范围2/LSB。具体数据结果如表5所示。其中第三次的Z轴的偏移量Z0g的160个样本数据以及均值，如表6所示。
表5 实验3校准失败数据
表6 实验3第三次的Z轴的偏移量样本数据
本文介绍了一种基于ADXL375三轴加速度计的运输监控中数据的零偏校准技术方法，该方法以较小的偏移值范围为判断标准，可实现精确的检测算法。通过对X、Y、Z轴三个方向的偏移值的连续时间内的测量与判断，验证了校准方法与环境条件的可行性和准确性。该方案具有成本低、算法快速高效等优点。
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