如何在車輛行駛時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量加速度

現(xiàn)代車載數(shù)字視頻記錄系統(tǒng)(DVR)或OBD均使用加速度計(jì)（重力傳感器）測(cè)量車輛加速度。因此，在發(fā)生車輛緊急剎車或碰撞等預(yù)定義事件時(shí)，DVR可以對(duì)記錄視頻添加日期/時(shí)間/加速度等信息。

將視頻保存至硬盤或SD卡等系統(tǒng)存儲(chǔ)器時(shí)，這些信息非常有用。例如，可以借助這些信息方便識(shí)別和回放目標(biāo)事件視頻。此外，僅保留這些有用視頻并刪除其他視頻可顯著節(jié)約系統(tǒng)存儲(chǔ)空間。但是，由于地球引力偏置和車輛振動(dòng)等對(duì)加速度計(jì)的共同影響，因此在車輛行駛時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量加速度是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

本文介紹了一種簡單有效的方法來解決此問題。

圖1所示為一種車載DVR系統(tǒng)框圖。來自CMOS傳感器的視頻經(jīng)提取、處理并最終保存在SD卡或硬盤等獨(dú)立存儲(chǔ)器上。如藍(lán)色高亮部分所示，加速度計(jì)(例如ADXL313)用于測(cè)量車輛加速度。

圖1. 車載DVR系統(tǒng)框圖

圖2說明了配備加速度計(jì)的DVR系統(tǒng)的工作原理。發(fā)生急剎車等預(yù)定義事件時(shí)，加速度會(huì)隨著車輛的速度變化而大幅提升或降低。加速度計(jì)將檢測(cè)并測(cè)量此加速度，MCU/處理器則可捕捉并處理此加速度數(shù)據(jù)。一旦加速度超過預(yù)定義的閾值(例如–1.5 g)，DVR系統(tǒng)便會(huì)開始對(duì)記錄視頻添加日期/時(shí)間/加速度值等信息。

圖2. 車輛急剎車時(shí)加速度及速度與時(shí)間的關(guān)系

在實(shí)際情況中，地球引力偏置和車輛振動(dòng)等引起的失真會(huì)使加速度計(jì)測(cè)得的加速度并不能準(zhǔn)確反映實(shí)際的車輛加速度。很多情況會(huì)引入地球引力偏置。例如，當(dāng)DVR安裝在后視鏡上時(shí)，由于乘客可手動(dòng)調(diào)整鏡面角度，因而鏡面和地球引力的夾角是不確定的。另一個(gè)例子是車輛正在并非完全水平的道路上行駛。此外，車輛發(fā)動(dòng)機(jī)和高低不平的路面狀況造成的振動(dòng)會(huì)隨機(jī)影響加速度測(cè)量，從而產(chǎn)生誤差。

表1. 地球引力偏置引入加速度測(cè)量誤差

表1表明，地球引力偏置可能引入的誤差是非常顯著的。第一列是相對(duì)于地平面的路面傾角；第二列是Z軸上由地球引力引入的傳感器偏置；第四列是Z軸上由傳感器測(cè)得的加速度。車輛的加速度為1 g時(shí)，在Z軸上測(cè)得的加速度隨路面傾角增大而增大，如第四列所示。例如，傾角為15°時(shí)測(cè)得的加速度約為1.26g，而Z軸上的實(shí)際加速度為1 g，因而測(cè)量誤差約為26%。

圖3所示為加速度計(jì)測(cè)得的實(shí)際加速事件，此加速度輸出耦合了引力偏置和車輛振動(dòng)等。在此圖中，藍(lán)線代表加速度計(jì)測(cè)得的加速度，黃線代表由地球引力引入的引力偏置。如圖所示，可觀察到三個(gè)峰值點(diǎn)：A、B和C。

A點(diǎn)測(cè)得的值約為1.25 g，B點(diǎn)測(cè)得的值約為2.25 g，C點(diǎn)測(cè)得的值約為1.75 g。將閾值預(yù)定義為1.5 g，B點(diǎn)和C點(diǎn)均超過閾值，而A點(diǎn)則低于閾值。但是，事實(shí)上此結(jié)果是錯(cuò)誤的，因?yàn)榧铀俣扔?jì)上的引力偏置未得到補(bǔ)償。如圖中紅色高亮部分所示，消除引力偏置影響后，A點(diǎn)的實(shí)際加速度約為1.5 g，B點(diǎn)約為2 g，C點(diǎn)約為1.25 g。此例中閾值預(yù)定義為1.5 g，A點(diǎn)和B點(diǎn)均超過閾值，而C點(diǎn)則低于閾值。

此例清楚表明，引力偏置會(huì)在測(cè)得的加速度上引入誤差，從而導(dǎo)致系統(tǒng)做出錯(cuò)誤決定。在實(shí)際情況中，引力偏置和振動(dòng)均無法預(yù)測(cè)，因而其引入的測(cè)量誤差也無法預(yù)測(cè)。從無法預(yù)測(cè)失真的數(shù)據(jù)中提取實(shí)際加速度是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

圖3. 耦合了引力偏置和車輛振動(dòng)的加速度輸出數(shù)據(jù)

但是，使用自適應(yīng)參考基準(zhǔn)的方法可自適應(yīng)地消除引力偏置和振動(dòng)等引入的誤差。它會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控加速度計(jì)的數(shù)據(jù)，并將任何隨時(shí)間出現(xiàn)的較小和緩慢變化的數(shù)據(jù)視為由引力偏置和振動(dòng)等引入的誤差，如圖3中的黃線高亮部分所示。真實(shí)的加速度隨時(shí)間表現(xiàn)為較大和快速的變化，因而可被確認(rèn)并通過消除引力偏置和振動(dòng)等引入的誤差從測(cè)得的數(shù)據(jù)中提取，如圖3中高亮顯示的脈沖A、B和C所示。

在每個(gè)測(cè)量周期，加速度計(jì)會(huì)測(cè)量并保存數(shù)據(jù)，并以此用作下一周期計(jì)算的參考值。在下一測(cè)量周期，將把測(cè)得的數(shù)據(jù)與前一周期的參考值進(jìn)行相減計(jì)算，然后把結(jié)果數(shù)據(jù)與預(yù)定義閾值進(jìn)行比較。如果結(jié)果數(shù)據(jù)超過預(yù)定義閾值，則將其視為較大和快速的加速度變化，并用系統(tǒng)軟件進(jìn)一步處理判斷。如果結(jié)果數(shù)據(jù)未超過閾值，則將其視為由引力和振動(dòng)引入的偏置和噪聲，系統(tǒng)軟件不做處理，只是將此次測(cè)得的數(shù)據(jù)作為下次測(cè)量計(jì)算的參考。測(cè)量周期需要微調(diào)以達(dá)到在不同環(huán)境下都能進(jìn)行準(zhǔn)確的加速度檢測(cè)。上述過程可用下式表示：

ABS [gn – gn – 1] > gth

其中

gn = 當(dāng)前測(cè)量周期中測(cè)得的g數(shù)據(jù)

gn – 1 = 前一周期中測(cè)得的g參考值

gth = 預(yù)定義的g閾值

圖4表示消除了引力和振動(dòng)引入的誤差后計(jì)算出的實(shí)際加速度。如圖中所示，現(xiàn)在黃線接近于零，這意味著幾乎消除了所有重力偏移和振動(dòng)。A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)能準(zhǔn)確反映實(shí)際的加速度。

圖4. 運(yùn)用自適應(yīng)參考基準(zhǔn)后方法后獲得的準(zhǔn)確加速度

一般而言，上述自適應(yīng)參考基準(zhǔn)方法可以由軟件來實(shí)現(xiàn)，但在實(shí)際情況中希望MCU或處理器單用軟件完成此過程不太實(shí)際，因?yàn)橐曨l應(yīng)用為實(shí)時(shí)的，MCU或處理器的資源可能不足。

ADI ADXL313W加速度計(jì)可作為一種解決方案，它具有AC工作模式和內(nèi)置32深度FIFO，這對(duì)運(yùn)用自適應(yīng)參考基準(zhǔn)獲得準(zhǔn)確的加速度數(shù)據(jù)很有幫助，即使后臺(tái)MCU或處理器資源有限也無影響。AC工作模式可使ADXL313W保存測(cè)得的數(shù)據(jù)，將其用作下一周期計(jì)算的參考，而內(nèi)置32 FIFO則可使ADXL313W保存最多32字的測(cè)量數(shù)據(jù)，這兩者可大幅減輕后臺(tái)MCU或處理器的負(fù)載。

圖5是ADXL313WAC工作模式的流程圖。激活A(yù) C工作模式后，ADXL313W會(huì)自動(dòng)將之前測(cè)得的數(shù)據(jù)作為參考基準(zhǔn)用作下一周期的計(jì)算并與預(yù)定義閾值進(jìn)行比較。如果其超過閾值，則會(huì)激活中斷信號(hào)，通知MCU或處理器進(jìn)行處理。在此流程圖中，延遲X ms設(shè)為兩個(gè)測(cè)量周期之間的間隔時(shí)間，可根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行微調(diào)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。

圖5. 利用ADXL313W的AC工作模式準(zhǔn)確計(jì)算加速度的流程圖

圖6是ADXL313W 32 FIFO模式工作的流程圖。啟用32 FIFO模式工作時(shí)，ADXL313W最多可將32字的數(shù)據(jù)自動(dòng)保存在FIFO中，如果FIFO已滿，則會(huì)激活中斷信號(hào)，通知相應(yīng)的MCU或處理器進(jìn)行處理判斷，處理器一次可以獲得32此測(cè)量數(shù)據(jù)，從而節(jié)省了處理器的功耗和負(fù)荷。

圖6. 利用ADXL313W FIFO準(zhǔn)確計(jì)算加速度的流程圖

為了以有限的存儲(chǔ)容量記錄目標(biāo)視頻并方便視頻獲取，現(xiàn)代車載DVR或OBD設(shè)備需要準(zhǔn)確檢測(cè)并測(cè)量加速度。測(cè)量誤差主要由地球引力偏置和車輛振動(dòng)等引入，這些誤差是不可預(yù)測(cè)的，這對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員是一個(gè)挑戰(zhàn)?？赏ㄟ^軟件運(yùn)用自適應(yīng)參考基準(zhǔn)的方法來消除此誤差，但在實(shí)際情況中，這可能又不太實(shí)際，因?yàn)镈VR或OBD系統(tǒng)的資源非常有限。

ADI ADXL313W加速度計(jì)具有AC工作模式和內(nèi)置32深度FIFO，這不僅可以直接運(yùn)用自適應(yīng)參考基準(zhǔn)方法，而且還可以大幅減輕后臺(tái)MCU或處理器的負(fù)荷。ADXL313W還具有其它很多特性，例如通過車規(guī)認(rèn)證、高分辨率、低噪聲和低功耗，因而能夠大幅提升DVR系統(tǒng)的性能。