一种基于重力向量的载体姿态测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于重力向量的载体姿态测量方法，具体包含如下步骤：预先将三轴MEMS加速度计安装于载体上；通过三轴MEMS加速度计实时获取载体三个轴方向上的向量参数；通过温度传感器实时采集三轴MEMS加速度计表面的温度，根据获取的三个轴方向上的向量参数和温度计算出载体姿态基于重力向量的横滚角，将计算出的基于重力向量的横滚角通过显示模块实时显示出来，同时通过数据传输模块传输至远程监控中心。
【专利说明】
一种基于重力向量的载体姿态测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种载体姿态参数获取方法，尤其涉及一种基于重力向量的载体姿态 测量方法，属于姿态测量控制领域。
【背景技术】
[0002] 传统的姿态测量系统采用捷联式惯导系统（SINS)，相比平台式惯导系统而言，其 具有体积相对更小，成本相对更低，易于安装和维护并且可靠性更高的有点，因此，捷联惯 导系统在飞行器导航和姿态测量中得到了广泛的研究和应用。
[0003] 然而，传统的姿态测量系统包括捷联式惯导普遍具有体积大，重量大，复杂程度高 等特点，使得传统的姿态测量系统无法应用于日常应用。同时，传统的捷联惯导系统一般需 要一个寻北系统的辅助来获得载体的方位角，但是传统的寻北系统多为基于陀螺的系统， 其体积和复杂度也是日常应用所无法接受的。可见，对于对体积具有严格限制的嵌入式系 统而言，需要研制一种小型的姿态测量系统来满足其姿态测量的要求。MEMS技术和MR技术 的快速发展，为研制这种低成本，小体积，高集成度的姿态测量系统提供了可能，从而可以 使得对体积和成本敏感的系统具有姿态测量的能力。
[0004] 例如申请号为"201210557018.2"的一种姿态测量方法和姿态测量系统，在保证姿 态测量的稳定性的同时减少误差。所述方法包括:采用双天线全球定位系统GPS测量筒状部 件的第一姿态信息;采用微机电系统MEMS测量筒状部件的第二姿态信息；将所述第一姿态 信息和所述第二姿态信息进行数据融合得到筒状部件的全姿态信息并输出。该发明采用双 天线GPS与MEMS组合的方式进行姿态测量，利用双天线GPS的方式，启动时间快，姿态测量的 设备成本低，误差较小，再结合MEMS完成设备的短时间姿态保持能力，在保证测量精度的同 时提高了姿态测量设备对外界复杂电磁环境的抗干扰能力，增强了姿态测量的稳定性。
[0005] 又如申请号为"201310657215.6"的一种基于单轴加速度传感器和三轴磁场传感 器的姿态测量系统及其姿态测量方法，该系统包括:加速度传感器、三轴磁场传感器、GNSS 模块和数据处理模块;所述的加速度传感器为与前进轴正交布置的Z轴向单轴加速度传感 器，用于测量重力加速度分量，得到地面载体的横滚角和俯仰角的三角关系;所述的数据处 理模块，用于根据位置信息查表获取地磁场模、地磁倾角信息和地磁偏角信息，结合地面载 体的横滚角和俯仰角的三角关系以及载体坐标系下地磁场的三个分量阵列最终解算出航 向角、俯仰角和横滚角。该发明的姿态测量新方法能够在载体静止或低速移动状态下实现 载体姿态角的准确解算，可以减少一个测量量，避免更多测量噪声的引入。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是针对【背景技术】的不足提供了一种方便、灵活、易于 操作的基于MEMS加速度计的载体姿态横滚角获取方法。
[0007] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0008] -种基于重力向量的载体姿态测量方法，具体包含如下步骤：
[0009] 步骤I，预先将三轴MEMS加速度计安装于载体上；
[0010] 步骤2，通过三轴MEMS加速度计实时获取载体三个轴方向上的向量参数；
[0011] 步骤3，通过温度传感器实时采集三轴MEMS加速度计表面的温度；
[0012] 步骤4,将步骤2获取的三个轴方向上的向量参数和步骤3获取的三轴MEMS加速度 计表面的温度均上传至数据处理中心，进而计算出载体姿态基于重力向量的横滚角，具体 计算如下：
[0013]
[0014] 其中，Θ为载体姿态的横滚角，Ax为载体X轴方向的向量参数，Ay为载体y轴方向的 向量参数，Az为载体z轴方向的向量参数，T为温度传感器实时采集三轴MEMS加速度计表面 的温度，To为温度传感器采集三轴MEMS加速度计表面的标准温度；
[0015] 步骤5,将步骤4计算出的基于重力向量的横滚角通过显示模块实时显示出来，同 时通过存储模块实时存储。
[0016] 作为本发明一种基于重力向量的载体姿态测量方法的进一步优选方案，所述三轴 MEMS加速度计的芯片型号为MMA7260Q。
[0017] 作为本发明一种基于重力向量的载体姿态测量方法的进一步优选方案，所述显示 模块为IXD显示屏。
[0018] 作为本发明一种基于重力向量的载体姿态测量方法的进一步优选方案，所述存储 模块采用DDR3。
[0019] 作为本发明一种基于重力向量的载体姿态测量方法的进一步优选方案，所述温度 传感器采用芯片型号为DS1820的温度传感器。
[0020] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0021] 1、本发明结构简单、具有低成本，高精度，微型化数字显示的特点；
[0022] 2、本发明利用三轴MEMS加速度计用来获得载体基于重力向量的横滚角，获取更加 精确；
[0023] 3、本发明采用无线传输模块与监控中心进行互动，是监控过程更加方便。
【具体实施方式】
[0024]下面对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0025]本发明设计一种基于重力向量的载体姿态测量方法，具体包含如下步骤：
[0026]步骤1，预先将三轴MEMS加速度计安装于载体上；
[0027]步骤2，通过三轴MEMS加速度计实时获取载体三个轴方向上的向量参数；
[0028] 步骤3，通过温度传感器实时采集三轴MEMS加速度计表面的温度；
[0029] 步骤4,将步骤2获取的三个轴方向上的向量参数和步骤3获取的三轴MEMS加速度 计表面的温度均上传至数据处理中心，进而计算出载体姿态基于重力向量的横滚角，具体 计算如下：
[0030]
[0031] 其中，Θ为载体姿态的横滚角，Ax为载体X轴方向的向量参数，Ay为载体y轴方向的 向量参数，Az为载体z轴方向的向量参数，T为温度传感器实时采集三轴MEMS加速度计表面 的温度，To为温度传感器采集三轴MEMS加速度计表面的标准温度；
[0032]步骤5,将步骤4计算出的基于重力向量的横滚角通过显示模块实时显示出来，同 时通过存储模块实时存储。
[0033] 其中，所述三轴MEMS加速度计的芯片型号为MMA7260Q，所述显示模块为LCD显示 屏，所述存储模块采用DDR3,所述温度传感器采用芯片型号为DS1820的温度传感器。
[0034] 三轴MEMS加速度计：本系统中的加速度计选用了Freescale的MMA7260Q单片三轴 加速度计。MMA7260Q是一个低成本的电容式微机械加速度计，其内部具有信号调整、单极低 通滤波器、温度补偿等功能，其量程可以通过编程选择1.5g/2g/4g/6g之一。
[0035]本发明采用的控制系统:AVR单片机具有预取指令功能，即在执行一条指令时，预 先把下一条指令取进来，使得指令可以在一个时钟周期内执行;多累加器型，数据处理速度 快;AVR单片机具有32个通用工作寄存器，相当于有32条立交桥，可以快速通行；中断响应速 度快。AVR单片机有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断;AVR单片机耗能低。对于 典型功耗情况，WDT关闭时为IOOnA，更适用于电池供电的应用设备;有的器件最低1.8V即可 工作。
[0036]本发明结构简单、具有低成本，高精度，微型化数字显示的特点；本发明利用三轴 MEMS加速度计用来获得载体基于重力向量的横滚角，获取更加精确;通过温度传感器实时 检测传感器表面的温度，有效的避免温度带来的影响。
[0037] 具体工作过程如下：
[0038]步骤1，预先将三轴MEMS加速度计安装于载体上；
[0039]步骤2，通过三轴MEMS加速度计实时获取载体三个轴方向上的向量参数；
[0040] 步骤3，通过温度传感器实时采集三轴MEMS加速度计表面的温度；
[00411 步骤4,将步骤2获取的三个轴方向上的向量参数和步骤3获取的三轴MEMS加速度 计表面的温度均上传至数据处理中心，进而计算出载体姿态基于重力向量的横滚角，具体 计算如Τ- ?； 0042]
[0043]其中，Θ为载体姿态的横滚角，Ax为载体X轴方向的向量参数，Ay为载体y轴方向的 向量参数，Az为载体z轴方向的向量参数，T为温度传感器实时采集三轴MEMS加速度计表面 的温度，To为温度传感器采集三轴MEMS加速度计表面的标准温度。
[0044]步骤5,将步骤4计算出的基于重力向量的横滚角通过显示模块实时显示出来，同 时通过存储模块实时存储。
[0045]传统的姿态测量系统采用捷联式惯导系统，相比平台式惯导系统而言，其具有体 积相对更小，成本相对更低，易于安装和维护并且可靠性更高的有点，因此，捷联惯导系统 在飞行器导航和姿态测量中得到了广泛的研究和应用。
[0046]然而，传统的姿态测量系统包括捷联式惯导普遍具有体积大，重量大，复杂程度高 等特点，使得传统的姿态测量系统无法应用于日常应用。同时，传统的捷联惯导系统一般需 要一个寻北系统的辅助来获得载体的方位角，但是传统的寻北系统多为基于陀螺的系统， 其体积和复杂度也是日常应用所无法接受的。可见，对于对体积具有严格限制的嵌入式系 统而言，需要研制一种小型的姿态测量系统来满足其姿态测量的要求。MEMS技术和MR技术 的快速发展，为研制这种低成本，小体积，高集成度的姿态测量系统提供了可能，从而可以 使得对体积和成本敏感的系统具有姿态测量的能力。在本系统中，三轴MEMS加速度计用来 获得载体基于重力向量的俯仰角和横滚角。
[0047]本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技 术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还 应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中 的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。 [0048]以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是 按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围 之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领 域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变 化。
【主权项】
1. 一种基于重力向量的载体姿态测量方法，其特征在于:具体包含如下步骤： 步骤1，预先将Ξ轴MEMS加速度计安装于载体上； 步骤2,通过Ξ轴MEMS加速度计实时获取载体Ξ个轴方向上的向量参数； 步骤3，通过溫度传感器实时采集Ξ轴MEMS加速度计表面的溫度； 步骤4,将步骤2获取的Ξ个轴方向上的向量参数和步骤3获取的Ξ轴MEMS加速度计表 面的溫度均上传至数据处理中屯、，进而计算出载体姿态基于重力向量的横滚角，具体计算 如下：其中，Θ为载体姿态的横滚角，Αχ为载体X轴方向的向量参数，Ay为载体y轴方向的向量 参数，Az为载体Z轴方向的向量参数，T为溫度传感器实时采集Ξ轴MEMS加速度计表面的溫 度，To为溫度传感器采集Ξ轴MEMS加速度计表面的标准溫度； 步骤5,将步骤4计算出的基于重力向量的横滚角通过显示模块实时显示出来，同时通 过存储模块实时存储。2. 根据权利要求1所述的一种基于重力向量的载体姿态测量方法，其特征在于:所述Ξ 轴MEMS加速度计的忍片型号为MMA7260Q。3. 根据权利要求1所述的一种基于重力向量的载体姿态测量方法，其特征在于:所述显 示模块为LCD显示屏。4. 根据权利要求1所述的一种基于重力向量的载体姿态测量方法，其特征在于:所述存 储模块采用孤R3。5. 根据权利要求1所述的一种基于重力向量的载体姿态测量方法，其特征在于:所述溫 度传感器采用忍片型号为DS1820的溫度传感器。
【文档编号】G01C21/16GK105841696SQ201610172639
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】胡国良
【申请人】苏州合欣美电子科技有限公司