使用MEMS加速度计和自适应参考捕获车载DVR系统中的真实加速度数据

现代车载数字视频记录系统 （DVR） 或 OBD 正在使用加速度计（g 传感器）来测量车载加速度。这允许DVR在发生预定义事件（例如急刹车或碰撞）时，使用日期/时间/加速信息为录制的视频加水印。将视频保存到系统内存（如硬盘或SD卡）时，水印很有帮助。水印可以轻松识别和播放感兴趣的活动视频。并且通过仅保留带水印的视频并删除其他视频，可以显着节省系统内存。然而，由于加速度计上的地球重力偏移和车辆振动的组合，在车辆运行时准确测量加速度是一项很大的挑战。本文介绍了解决此问题的简单但有效的方法。

图1所示为车载DVR系统框图。来自CMOS传感器的相机视频被拍摄、处理并最终存储在独立存储器中，例如SD卡或硬盘。如蓝色突出显示所示，加速度计（例如ADXL313）用于测量车辆加速度。

图1.车载DVR系统框图。

图 2 说明了带有加速度计的 DVR 系统的工作原理。在预定义事件的情况下，例如急刹车，加速度会随着车辆速度的变化而显着增加或减少。加速度计将感测并测量数据MCU/处理器可以捕获和处理的加速度。一旦加速度超过预定义的阈值（例如，–1.5 g），DVR 系统将开始为录制的视频添加日期/时间/加速值等信息的水印。

图2.车辆急刹车时的加速度和速度与时间的关系。

实际上，加速度计测得的加速度并不能准确反映由于地球重力偏移和车辆振动引起的畸变而导致的真实车辆加速度。在许多情况下，会引入地球的重力偏移。例如，当DVR安装在后视镜中时，镜子与地球引力的表面角度是不确定的，因为乘客可以用手调节它。另一个例子是当车辆在非 100% 水平的道路上行驶时。此外，来自车辆发动机的振动和崎岖的路况会随机耦合到加速度测量中并导致误差。

表1检查了地球重力偏移如何引入重大误差。第一列是与地平线相关的道路坡度角度;第二列是由地球引力引入的重力传感器Z轴上的偏移量;第四列是传感器在Z轴上测量的加速度。如第四列所示，在车辆上加速度为 1 g 时，z 轴上测得的加速度随角度增加。例如，在 15° 角处，测得的加速度约为 1.26 g，z 轴上的实际加速度为 1 g，因此测量误差约为 26%。

 

道路坡度与感应重力偏移
路面坡度T（°）	Z 轴上的重力偏移 （g)	Z轴上的真实车辆g（g)	传感器在 Z 轴上测量的 g （g)
0	0	1	1
1	0.017452406	1	1.017452406
2	0.034899497	1	1.034899497
3	0.052335956	1	1.052335956
4	0.069756474	1	1.069756474
5	0.087155743	1	1.087155743
6	0.104528463	1	1.104528463
7	0.121869343	1	1.121869343
8	0.139173101	1	1.139173101
9	0.156434465	1	1.156434465
10	0.173648178	1	1.173648178
11	0.190808995	1	1.190808995
12	0.207911691	1	1.207911691
13	0.224951054	1	1.224951054
14	0.241921896	1	1.241921896
15	0.258819045	1	1.258819045

 

图3显示了用地球重力偏移和车辆振动耦合到加速度计上测量的真实加速度事件。在图中，蓝线表示在加速度计上测量的加速度，黄线表示地球重力引入的重力偏移。如图所示，观察到三个峰值点，A点，B点和C点.A点测量约1.25 g，B点测量约2.25 g，C点测量约1.75 g。通过将阈值预定义为 1.5 g，B 点和 C 点都超过了阈值，而 A 点低于阈值。但是，事实上，这个结果是错误的，因为加速度计上的重力偏移没有得到补偿。如图中突出显示的红色所示，通过消除重力偏移效应，A点的实际加速度约为1.5 g，B点约为2 g，C点约为1.25 g。在这种情况下，预定义阈值为 1.5 g，A 点和 B 点超过阈值，C 点低于阈值。这个例子清楚地表明，重力偏移会在测量的加速度上引入误差，从而导致系统做出不正确的决策。实际上，重力偏移和振动都是不可预测的，因此测量中引入的误差也是不可预测的。从重力偏移和振动的测量数据中提取实际加速度是一项相当大的挑战。

图3.加速度输出与地球重力偏移和车辆振动相结合。

然而，自适应参考可以自适应地消除重力偏移和振动引入的误差。它立即监控来自加速度计的数据，任何随时间变化小而缓慢的数据都被认为是重力偏移和振动引入的误差。图 3 中的黄线突出显示了这一点。感兴趣的实际加速度随时间变化大而快，可以通过消除重力偏移和振动引入的误差来识别和提取测量数据。这在图3中突出显示为脉冲A、B和C。下一段描述了实现真实加速度数据的基本操作。

在每个测量周期中，加速度计测量并存储数据，这些数据用作下一个周期计算的参考。在下一个测量周期，测量数据将与前一个周期的参考数据进行比较，并将结果数据与预定义的阈值进行比较。如果结果数据超过预定义的阈值，则将其识别为感兴趣的大而快速的传输，并将由系统软件进一步处理。如果结果数据未超过阈值，则将其标识为重力和振动引入的偏移和噪声。测量周期需要微调算法来实现基于不同环境的准确检测。上述过程可以用以下公式表示：

其中
gn = 当前测量周期中测量的 g 数据 gn – 1 = 在前一个周期

中测量的 g 参考 gth = 预定义的 g 阈值

图4描述了通过消除重力偏移和振动引入的误差来计算的实际加速度。如图所示，现在黄线接近于零，这意味着重力偏移和振动几乎被消除。点 A、B 和 C 正确反映了实际加速度。

图4.应用自适应参考方法后的精确加速度。

一般来说，上述自适应参考方法应该由软件实现，但实际上，期望MCU或处理器使用纯软件完成它可能不切实际，因为视频应用是实时的，MCU或处理器可能缺乏资源。作为一种解决方案，ADI ADXL313W加速度计具有交流模式操作和内置32深度FIFO，这极大地有助于实现自适应参考方法，即使在资源受限的后端MCU或处理器中也能实现精确的加速度测量。交流模式操作允许ADXL313W保留测量数据作为下一个周期计算的基准，内置的32 FIFO使ADXL313W能够保存多达32字的测量数据，这两者都大大减轻了后端MCU或处理器的负载。

图5是ADXL313W交流模式操作的流程图。一旦交流模式操作被激活，ADXL313W将自动保留先前测量的数据，作为下一个周期与预定义阈值进行比较的基准;如果超过阈值，中断信号将激活，通知MCU或处理器进行处理。在流程图中，延迟X ms设置为两个测量周期之间的间隔时间，可以根据应用进行微调。

图5.利用ADXL313W交流模式进行精确加速度计算的流程图。

图6是ADXL313W 32先进先出操作的流程图。启用32 FIFO模式操作后，ADXL313W将自动在FIFO中保留最多32字的数据，如果FIFO已满，则中断信号激活，以相应地通知MCU或处理器。

图6.利用ADXL313W FIFO进行精确加速度计算的流程图。

结论

现代车载DVR或OBD需要精确的加速度检测和测量，以便以有限的内存大小记录感兴趣的水印视频。测量误差主要由地球重力偏移和车辆振动引入，并且具有不可预测性，这给系统设计人员带来了设计挑战。自适应参考方法可以通过软件实现以消除误差，但实际上这可能不切实际，因为DVR或OBD系统很容易受到资源限制。ADI ADXL313W加速度计具有交流模式操作和32深度FIFO，极大地有助于实现自适应参考方法，同时显著减轻后端MCU或处理器的负担。ADXL313W结合汽车级认证、高分辨率、低噪声和低功耗等更多特性，有助于大幅提高DVR系统性能。

审核编辑：郭婷