國內(nèi)外現(xiàn)有的汽車模擬駕駛器和汽車駕駛考核系統(tǒng)中，對腳踏板（油門踏板,、腳剎踏板,、離合踏板）及手剎等操作機構(gòu)的狀態(tài)信號的提取，主要是通過安裝角度傳感器或通過機械裝置將機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為線性運動,，安裝線性位移傳感器來實現(xiàn),；檔位的位置狀態(tài)則通過在檔位的不同位置分別安裝行程開關(guān)組或非接觸開關(guān)組（霍爾開關(guān)、光電開關(guān)）得到開關(guān)量信號,，獲取檔位的位置信息,。由于這些傳感器成本較高、體積較大,，且在一臺車輛中采用多種傳感器形式,，檢測裝置規(guī)格不統(tǒng)一，給汽車駕駛狀態(tài)檢測系統(tǒng)的生產(chǎn)制造,、安裝,、維修、保養(yǎng)帶來了較大不便[1-2]。
近年來,，微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)微機械慣性器件日漸成熟,，慣性測量系統(tǒng)得到了迅猛發(fā)展[3]。慣性測量系統(tǒng)將微電子,、精密機械,、傳感器技術(shù)相互融合，具有集成度更高,、性價比更好,、體積更小、功耗更低等特點,，且由于微機械結(jié)構(gòu)制作精確,、重復性好、易于集成化,、適于大批量生產(chǎn),，并有很高的性價比，在汽車上得到了廣泛的應(yīng)用[4-5],。陀螺儀和加速度計是姿態(tài)測量系統(tǒng)的重要組成單元,，本文選擇了ADIS16355傳感器，該傳感器集成了三軸加速度傳感器和三軸陀螺儀傳感器,，具有體積小,、功能強、功耗低等特性,，完全滿足汽車駕駛運動參數(shù)的數(shù)據(jù)采集要求,。
1測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計
1.1測量系統(tǒng)硬件組成
汽車駕駛模擬器姿態(tài)測量系統(tǒng)如圖1所示，主要包括信號采集模塊（陀螺儀及信號調(diào)理電路）,、信號處理及傳輸模塊（微控制器及通信電路）,、電源模塊三部分。
信號采集模塊由MEMS陀螺儀傳感器和信號調(diào)理電路組成,，完成對油門,、腳剎、離合,、手剎,、檔位等車輛駕駛操作機構(gòu)傾角變化的物理量轉(zhuǎn)換，并完成傳感器輸出信號的可靠傳輸,；信號處理及傳輸模塊由DSP構(gòu)成核心器件,，實現(xiàn)在姿態(tài)和動態(tài)加速度變化的條件下，精確測量運動機構(gòu)的傾角變化,，完成信號的數(shù)字濾波,、角速度變化量積分為角度變化量的運算,、差分處理及串行輸出等工作；供電電源采用汽車充電發(fā)電機和車載蓄電池,，供電電壓在9V～30V之間,，系統(tǒng)設(shè)備使用的電源電壓為5V。
1.2MEMS加速度傳感器的選擇
本文采用微機械(MEMS)ADIS16355陀螺儀進行動態(tài)角度測量,。ADIS16355陀螺儀是一款多軸運動傳感器,，它高效地將三軸陀螺與三軸加速度計相結(jié)合，以測量所有六自由度,。該傳感器集成了AD公司微機械和混合信息處理技術(shù),，是一個高度集成的解決方案，提供校準后的數(shù)字慣性感應(yīng),；一個SPI接口和簡單輸出注冊結(jié)構(gòu)形成了簡單的系統(tǒng)接口和編程,；單電源操作在4.75V～5.25V；2000g沖擊承受力,。與其他現(xiàn)成慣性傳感器相比,，ADI-
S16355精度提高了50倍，易于集成（23mm×23mm×23mmMod封裝）,。
1.3差分測量方法
通過將兩個姿態(tài)傳感器探頭分別設(shè)置在被測物體和該被測物體所處的運動載體上,，兩姿態(tài)傳感器在初始狀態(tài)姿態(tài)相同，其安裝位置應(yīng)盡量靠近,，使兩傳感器近似處于一個剛體中。此時不論檢測載體（汽車）是否運動,，兩個姿態(tài)傳感器探頭輸出的檢測信號大小相等,，差模信號接近為零。當檢測裝置工作時,，兩個三軸姿態(tài)傳感器同時提取被測物和載體相對地面的三維運動信號,，兩組信號通過微處理器的數(shù)據(jù)融合及處理，屏蔽共有的振動,、轉(zhuǎn)動慣量,、姿態(tài)變化等共模信號，保留被測物體相對運動載體角度或錐角變化的差模信號,，進而得到被測物體相對運動載體的姿態(tài)變化量,。該方法避開了兩參照系數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的繁瑣數(shù)學計算，具有電路簡單,、信號采集處理速度快的特點[6],。如圖2(a)所示，為傳感器在油門踏板上的差分安裝原理圖,。
2軟件設(shè)計
檢測系統(tǒng)的軟件包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩部分,，軟件流程圖如圖3所示。按照安裝動態(tài)傾角檢測裝置，通過兩個模塊同時提取被測物體和動態(tài)載體上四組三維檢測信號（兩組角速度信號和兩組加速度信號）,。這四組三維電壓模擬量的采集信號經(jīng)過模擬量數(shù)據(jù)處理模塊,，屏蔽共有的振動、轉(zhuǎn)動慣量和姿態(tài)變化等共模信號,，保留被測物體相對運動載體錐角變化的差模信號,，該檢測信號經(jīng)DSP的運算處理，完成MEMS陀螺儀傳感器輸出的檢測信號與對應(yīng)角度量的轉(zhuǎn)換,，實現(xiàn)被測物相對載體傾角的測量,。
3實驗
按照差分測量的要求，將靜止模塊粘貼于固定支架上,，將運動模塊固定于離合器,、剎車和油門踏板上（兩模塊與剛性架構(gòu)間均用減振膠和海綿做減振材料），安裝時使兩個模塊X軸處于測量靈敏度最高的測量位置,，如圖2(b)所示為傳感器在實車上的安裝圖,。
在實車上進行實車實驗，刻意讓車體產(chǎn)生最大幅度的振動和姿態(tài)變化,，采集踩下油門踏板（以油門踏板為例）然后放開踏板時的部分測試數(shù)據(jù),，分別利用加速度信息Xg1～Xg2、角速度信息X?棕1～X?棕2的數(shù)據(jù)進行綜合考慮,，相互修正,，得到汽車姿態(tài)角的最優(yōu)估計值。如圖4為對加速度計和角速度陀螺X軸數(shù)據(jù)相互修正融合后的差模數(shù)據(jù)擬合曲線,?？梢钥闯觯囼灲Y(jié)果滿足動感汽車駕駛操作傾角信號采集的精度要求,，說明此測量系統(tǒng)的可行性,。
圖4為對油門踏板X軸數(shù)據(jù)修正融合后的差模數(shù)據(jù)擬合曲線。
本文研究設(shè)計了基于ADIS16355和DSP的汽車駕駛操作信號采集系統(tǒng),，基本思想是通過采集重力加速度和角速率信號,，并對據(jù)進行處理，最后運用差分測量方法,，實現(xiàn)了對汽車駕駛狀態(tài)的實時準確測量,。實驗結(jié)果表明該測量系統(tǒng)能滿足汽車駕駛操作信號采集的精度要求。