概述

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零偏是影響加速度計輸出精度的重要指標(biāo)之一，零偏可分為靜態(tài)零偏和動態(tài)零偏 。靜態(tài)零偏也稱為固定零偏，通常經(jīng)標(biāo)定與補償減小靜態(tài)零偏。動態(tài)零偏是由于加速度計自身的缺陷或環(huán)境因素（如溫度、振動、電子干擾等）引起的，懸絲加速度計在運動過程中其精度會受到動態(tài)零偏的影響，因此在投入使用前要先對加速度計的動態(tài)零偏進(jìn)行測試。

硬件準(zhǔn)備

首先需要準(zhǔn)備一個開發(fā)板，這里我準(zhǔn)備的是自己繪制的開發(fā)板，需要的可以進(jìn)行申請。 主控為STM32U073CC，加速度計為LIS2DUX12

視頻教學(xué)

[https://www.bilibili.com/video/BV17J4m1W7Fb/]

樣品申請

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源碼下載

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六位置法的標(biāo)定方案

本文在校準(zhǔn)三軸加速度計時使用六位置校準(zhǔn)法，該方法使用地球的重力力加速度在靜態(tài)下校準(zhǔn)三軸加速度傳感器,具體的校準(zhǔn)過程如下圖所示。具體校準(zhǔn)過程如下:

1. 將傳感器的Y軸垂直水平面向下;
2. 以X軸為基準(zhǔn)軸,繞其逆旋轉(zhuǎn)90°,使乙軸垂直水平面向上
3. 以Y軸為基準(zhǔn)軸,繞其逆旋轉(zhuǎn)90°,使X軸垂直水平面向下
4. 以Y軸為基準(zhǔn)軸,繞其逆時針旋轉(zhuǎn)90°使2軸垂直水平面向下
5. 繞Y軸逆時針旋轉(zhuǎn)909、使X軸垂直水平面向上
6. 繞Z軸順時針旋轉(zhuǎn)90°、使Y軸垂直水平面向上

在沒有精密設(shè)備的情況下。這種方法基本上是在試圖找到每個軸的偏移（zero-g offset）和靈敏度（scale factor）。這種方法通常稱為靜態(tài)校準(zhǔn)方法，因為它不需要動態(tài)輸入，只需將設(shè)備置于靜態(tài)的已知方向即可。

旋轉(zhuǎn)加速度計以找到極值

將加速度計沿每個軸正向和反向?qū)R，使其盡可能地與地球重力向量對齊。在理想情況下，當(dāng)某一軸完全與地球的重力向量對齊時，該軸應(yīng)顯示約 ±1g 的讀數(shù)，而其他軸應(yīng)顯示 0g。

記錄每個軸在這六個方向（X+, X-, Y+, Y-, Z+, Z-）的輸出，即每個軸的最大值和最小值。

在未校準(zhǔn)情況下，讀出的數(shù)據(jù)會超過1g的數(shù)值，所以要進(jìn)行加速度計校準(zhǔn)。

計算偏移和靈敏度

偏移（Offset）：可以通過計算每個軸最大值和最小值的平均值得到：

Offset=(Max value+Min value)/2

靈敏度（Scale factor）:可以通過兩個極值之差與2g（因為從+1g到-1g的總變化是2g）的比例來計算：

Scale factor=(Max value-Min value)/2g

應(yīng)用校準(zhǔn)參數(shù)

一旦計算得到每個軸的偏移量和靈敏度，校準(zhǔn)參數(shù)就可以應(yīng)用到新的加速度計測量數(shù)據(jù)中以修正這些數(shù)據(jù)。修正后的加速度值由下列公式計算得出：

Calibrated value= (Raw value?Offset)/Scale Factor

這個步驟實質(zhì)上是一個線性變換，它調(diào)整原始加速度讀數(shù)以反映真實的加速度。

這些算法步驟基于直接的數(shù)學(xué)操作，并不涉及復(fù)雜的統(tǒng)計算法或優(yōu)化算法。這些方法足以處理大多數(shù)基本應(yīng)用場景下的加速度計校準(zhǔn)需求，尤其是在資源受限的嵌入式系統(tǒng)中。如果環(huán)境變化大或加速度計的非理想特性影響較大（如高溫、機械應(yīng)力等），可能需要更復(fù)雜的算法來進(jìn)行動態(tài)校準(zhǔn)或更高級的誤差補償。

注意事項

1. 確保在靜態(tài)環(huán)境中進(jìn)行測試，避免任何震動或移動。
2. 使用精確的水平儀確保加速度計的對齊。
3. 可以通過多次測量和取平均值來增加校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。 這種校準(zhǔn)方法相對簡單，適合大多數(shù)基本應(yīng)用，但對于需要極高精度的應(yīng)用，可能需要更復(fù)雜的校準(zhǔn)技術(shù)和專業(yè)設(shè)備。

串口中斷

開啟串口中斷來接收數(shù)據(jù)。

要在主程序鐘開啟中斷接收。

HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t *)RxBuff, 1); //打開串口中斷接收

定義接收函數(shù)。

// 捕獲中斷回調(diào)函數(shù)，每次捕獲到信號就會進(jìn)入這個回調(diào)函數(shù)
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef*UartHandle)
{

    Rx_flag=RxBuff[0];   
    RxBuff[0]=0;
//    printf("flag=%d",Rx_flag);
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t *)RxBuff, 1); //每接收一個數(shù)據(jù)，就打開一次串口中斷接收，否則只會接收一個數(shù)據(jù)就停止接收

}

變量定義

data_accx_min, data_accx_max, data_accy_min, data_accy_max, data_accz_min, data_accz_max：這些變量存儲加速度計在X、Y、Z軸上的最小值和最大值。這些極值通常是通過在特定時間內(nèi)收集加速度計數(shù)據(jù)，然后從這些數(shù)據(jù)中找出最小值和最大值得到的。
Offset_x, Offset_y, Offset_z：這些是各軸的偏移值，計算方法是各軸最大值和最小值的算術(shù)平均值。偏移值用于調(diào)整每個軸的零點位置，使其在沒有運動時接近零。
Scale_factor_x, Scale_factor_y, Scale_factor_z：這些是各軸的靈敏度系數(shù)，計算方法是各軸最大值和最小值的差除以2。這個系數(shù)用于調(diào)整每個軸的測量值，使其在已知加速度的情況下反映實際的物理加速度。
calibrated_x, calibrated_y, calibrated_z：這些變量用于存儲校準(zhǔn)后的加速度值，校準(zhǔn)的目的是確保加速度計輸出準(zhǔn)確反映實際加速度。
校準(zhǔn)參數(shù)計算函數(shù) calculate_calibration_params，此函數(shù)執(zhí)行以下操作：
計算偏移（Offset）：通過取每個軸的最大值和最小值的平均值來計算偏移。這樣做是為了將未校準(zhǔn)的加速度計讀數(shù)的中心調(diào)整到0點附近，以補償傳感器的系統(tǒng)偏差。
計算靈敏度（Scale factor）：通過取每個軸的最大值和最小值之差的一半來計算靈敏度。這個值表示了在理想條件下，傳感器輸出從最小到最大應(yīng)覆蓋的理想范圍（通常是±1g）。通過這種方式，您可以根據(jù)實際的傳感器響應(yīng)調(diào)整加速度計的讀數(shù)。

float data_accx_min=0,data_accx_max=0;//加速度計x軸極值
float data_accy_min=0,data_accy_max=0;//加速度計y軸極值
float data_accz_min=0,data_accz_max=0;//加速度計z軸極值

float Offset_x=0.0f;//x偏移
float Scale_factor_x=0.0f;//x靈敏度
float Offset_y=0.0f;//y偏移
float Scale_factor_y=0.0f;//y靈敏度
float Offset_z=0.0f;//z偏移
float Scale_factor_z=0.0f;//z靈敏度

float calibrated_x=0.0f;//校準(zhǔn)后加速度計x軸值
float calibrated_y=0.0f;//校準(zhǔn)后加速度計y軸值
float calibrated_z=0.0f;//校準(zhǔn)后加速度計z軸值

int acc_i=0;

uint8_t RxBuff[1];      //進(jìn)入中斷接收數(shù)據(jù)的數(shù)組
int Rx_flag=0;                    //接受到數(shù)據(jù)標(biāo)志


void calculate_calibration_params(void) {

    Offset_x=(data_accx_max+data_accx_min)/2;
    Offset_y=(data_accy_max+data_accy_min)/2;            
    Offset_z=(data_accz_max+data_accz_min)/2;        


    Scale_factor_x=(data_accx_max-data_accx_min)/2;
    Scale_factor_y=(data_accy_max-data_accy_min)/2;            
    Scale_factor_z=(data_accz_max-data_accz_min)/2;        

}

主程序流程

使用 lis2dux12_status_get 函數(shù)檢查新的加速度計數(shù)據(jù)是否已經(jīng)準(zhǔn)備好。如果status.drdy（數(shù)據(jù)就緒標(biāo)志）為真，這意味著有新數(shù)據(jù)可讀。
通過調(diào)用 lis2dux12_xl_data_get 函數(shù)讀取加速度計數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)被存儲在 data_xl.mg 數(shù)組中，分別對應(yīng) X、Y、Z 軸的加速度值。
根據(jù) Rx_flag 的值，更新對應(yīng)軸的最小值或最大值。每次更新后，調(diào)用 calculate_calibration_params 函數(shù)重新計算校準(zhǔn)參數(shù)。
Rx_flag == 1 和 Rx_flag == 2 分別更新 X 軸的最小和最大值。
Rx_flag == 3 和 Rx_flag == 4 分別更新 Y 軸的最小和最大值。
Rx_flag == 5 和 Rx_flag == 6 分別更新 Z 軸的最小和最大值。
使用更新后的校準(zhǔn)參數(shù)（偏移和靈敏度）來校準(zhǔn)讀取的加速度數(shù)據(jù)。校準(zhǔn)公式為：
Calibrated value= 1000*(Raw value?Offset)/Scale Factor
這里乘以1000是為了將結(jié)果轉(zhuǎn)換為毫重力單位（mg），常用于顯示加速度計的讀數(shù)。

/* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {

   /* Read output only if new values are available */
    lis2dux12_status_get(&dev_ctx, &status);
    if (status.drdy) {
      lis2dux12_xl_data_get(&dev_ctx, &md, &data_xl);
        if(Rx_flag==1)//X軸min
        {
            data_accx_min=data_xl.mg[0];
            Rx_flag=0;
            calculate_calibration_params();
        }
        else if(Rx_flag==2)//X軸max
        {
            data_accx_max=data_xl.mg[0];
            Rx_flag=0;
            calculate_calibration_params();
        }
        else if(Rx_flag==3)//Y軸min
        {
            data_accy_min=data_xl.mg[1];
            Rx_flag=0;
            calculate_calibration_params();
        }        
        else if(Rx_flag==4)//Y軸max
        {
            data_accy_max=data_xl.mg[1];
            Rx_flag=0;
            calculate_calibration_params();
        }        
        else if(Rx_flag==5)//Y軸min
        {
            data_accz_min=data_xl.mg[2];
            Rx_flag=0;
            calculate_calibration_params();
        }        
        else if(Rx_flag==6)//Y軸max
        {
            data_accz_max=data_xl.mg[2];
            Rx_flag=0;
            calculate_calibration_params();
        }            

            calibrated_x=1000*(data_xl.mg[0]-Offset_x)/Scale_factor_x;
            calibrated_y=1000*(data_xl.mg[1]-Offset_y)/Scale_factor_y;            
            calibrated_z=1000*(data_xl.mg[2]-Offset_z)/Scale_factor_z;            


            printf("min_x=%4.2f,max_x=%4.2lf,min_y=%4.2f,max_y=%4.2f,min_z=%4.2f,max_z=%4.2frn",
            data_accx_min,data_accx_max,data_accy_min,data_accy_max,data_accz_min,data_accz_max);                
            printf("校準(zhǔn)前acc[mg]:%4.2ft%4.2ft%4.2frn",
            data_xl.mg[0], data_xl.mg[1], data_xl.mg[2]);            
            printf("校準(zhǔn)后acc[mg]:%4.2ft%4.2ft%4.2frn",
            calibrated_x, calibrated_y, calibrated_z);            

        HAL_Delay(10);


    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */

串口發(fā)送定義

演示

審核編輯 黃宇