专利名称：一种智能倾斜仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于测量技术领域，涉及一种智能倾斜仪，尤其涉及一种做横滚、俯仰、航向测量及自动调平的高动态数字化智能倾斜仪。
背景技术：
数字化倾斜仪是用来测量物体随时间的倾斜变化及铅垂线随时间变化的仪器；陀螺仪仅用来测量角速率，仅适合于高动态角度测量，且由于时漂等因素导致其测量精度较差；它们分别独立的。通常下，数字化倾斜仪仅能够测量横滚、俯仰的准静态角度，对于较高动态的测量时，其往往受到动态加速度的干扰，测量精度很差。因此，现有的数字化倾斜仪一般只提供单轴或者双轴测量，即横滚、俯仰角度测量，未能提供航向角度测量。·[0004]对于现有基于重力加速度原理的倾斜仪已经满足不了实际测量的要求，单个陀螺仪或倾斜仪已满足不了准静态和高动态角度姿态测量要求，以往的方法分别选择倾斜仪、陀螺仪，而且并不能将其各自的优势集中体现出来。将陀螺仪与倾斜仪创新地结合在一起，减少使用者的负担，在有些应用场所，如汽车、船舶等运动中的高精度姿态测量领域具有明显的技术优势和应用价值。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种智能倾斜仪，可提供横滚、俯仰、航向动态和静态姿态角度，利用陀螺仪动态优势弥补倾斜仪的动态不足，利用倾斜仪的准静态优势弥补陀螺仪的静态不足和时漂问题。为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案一种智能倾斜仪，所述倾斜仪包括倾角传感器，用以提供高分辨率的倾斜角度；滤波单元，与所述倾角传感器连接，用以对所述倾角传感器输出的模拟信号进行滤波；处理器，与所述滤波单元连接，用以对倾角传感器输出的、经过滤波的模拟信号进行高精度模数转换，在处理器内做数字信号滤波，真实地反映出倾角输出信息，并对数字处理后的信号进行角度转换；数显分度转台，与所述处理器连接，用以对倾角传感器作线性补偿所需的数据作测试，计算出合适的线性标定系数；所述处理器进一步利用数显分度转台计算出的线性标定系数对测量的角度数据作线性补偿；陀螺仪单元，与所述处理器连接，提供测量体横滚、俯仰、航向的角速率；电源系统，与所述倾角传感器、滤波单元、处理器、数显分度转台、陀螺仪单元连接，用以提供电源。作为本实用新型的一种优选方案，所述滤波单元为硬件滤波单元，用以对倾角传感器输出的模拟信号带宽内滤波。作为本实用新型的一种优选方案，所述倾斜仪进一步包括高低温温度箱，用以对倾斜仪的零点温漂做补偿。作为本实用新型的一种优选方案，所述倾斜仪 进一步包括高低温温度箱，用以对倾斜仪的灵敏度温漂做补偿。作为本实用新型的一种优选方案，所述倾斜仪进一步包括232输出接口、485输出接口、422输出接口、V/I输出接口、IXD输出接口、CAN接口中的一个或多个。作为本实用新型的一种优选方案，所述处理器为内置24bit模数转化单元AD的MCU。作为本实用新型的一种优选方案，所述陀螺仪为内置陀螺模块，通过数字SPI接口 MCU连接。作为本实用新型的一种优选方案，所述陀螺仪单元与所述处理器连接，用以提供横滚、俯仰、航向角速率信息，并将横滚、俯仰、航向角速率信息发送至处理器，由处理器对角速率积分运算出横滚、俯仰、航向的动态姿态角度。本实用新型的有益效果在于本实用新型提出的智能倾斜仪，能够提供航向、横滚、俯仰的准静态、高动态的高精度角度测量，能够满足工业应用、研究所及军工单位的测量应用需求。同时，本实用新型将陀螺仪与倾角传感器完美结合在一起，提供测量体横滚、俯仰、航向的角速率，实现强大的测量功能，相对现有数字倾斜仪有明显优势。本数字倾斜仪能够提供丰富的接口，如数字量RS232、RS485、RS422、CAN, LCD显示，数字接口软件协议可选，如Modbus，CAN2. Oa或Can2. Ob等，模拟量电压和电流，模拟量输出范围可设置。此外，本实用新型数字倾斜仪内部软件集成了自标定算法，能够在外部简单的操作实现数字倾斜仪本身数字自动标定。
图I为本实用新型数字化智能倾斜仪的组成示意图。图2为本实用新型倾斜仪测量方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本实用新型的优选实施例。实施例一本实用新型揭示了一种智能倾斜仪，包括倾角传感器、滤波单元、处理器、数显分度转台、电源系统、陀螺仪单元。倾角传感器用以提供高分辨率的倾斜角度；滤波单元与所述倾角传感器连接，用以对所述倾角传感器输出的模拟信号进行滤波；处理器与所述滤波单元连接，用以对倾角传感器输出的经过滤波的模拟信号进行高精度模数转换，在处理器内作数字信号滤波，达到真实地反映出倾角输出信息，并对数字处理后的信号进行角度转换；数显分度转台与所述处理器连接，用以对传倾角感器作线性补偿所需的数据作测试，计算出合适的线性标定系数；所述处理器进一步利用数显分度转台计算出的线性标定系数对测量的角度数据作线性补偿；陀螺仪单元与所述处理器连接，提供测量体横滚、俯仰、航向的角速率；电源系统与所述倾角传感器、滤波单元、处理器、数显分度转台、陀螺仪单元连接，用以提供电源。请参阅图I，本实施例中，所述倾斜仪包括核心高精度MEMS倾角传感器I、硬件滤波单元2、电源系统3、内置24Bit模数转化单元AD的MCU 4、数显分度转台(图未示)、多个输出接口(包括232输出接口 5、485输出接口 6、422输出接口 7、V/I输出接口 8、IXD输出接口 9、CAN接口 10)。所述MCU4连接硬件滤波单元2、电源系统3、数显分度转台、各输出接口，所述电源系统3连接倾角传感器I、硬件滤波单元2、数显分度转台、各输出接口。所述陀螺仪单元11连接MCU4。核心高精度MEMS倾角传感器I可以提供很高的角度分辨率，通过硬件滤波2对高精度MEMS倾角传感器I输出模拟信号带宽内滤波，内置24BUAD的MCU对核心高精度MEMS 倾角传感器I输出的模拟信号进行高精度模数转换，在MCU内部软件内作数字信号滤波，达到真实地反映出倾角输出信息。内置24bit AD的MCU 4对陀螺仪单元11获取测量体横滚、俯仰、航向的角速率，高动态时MCU 4积分运算出高动态角度，并以准静态的角度为初始化状态。内置24bit AD的MCU 4会对数字处理后信号进行角度转换，然后会利用外部高精度的数显分度转台对倾角传感器作线性补偿所需的数据作测试。内置24bit AD的MCU 4利用内部最小二乘法算法对在线测试数据运算，计算出合适的线性标定系数，并存储于MCU内部开辟的Flash Data存储空间。每一次测量后，内置24bit AD的MCU 4利用事先计算出的线性标定系数对测量的角度数据作线性补偿，达到提高倾角测量的线性度的目的。所述处理器的线性补偿方法包括对一组标准值&1，a2, a3，. . .，ak，和对应该组标准值的实际测量所得一组值b” b2, b3，. . .，bk，根据两组值拟合出一个多项式ai = F(bi)，i=I. . . k,即 f = ko+kiC+^^+kgC3+. . . +kmCm, k0, k” k2, k3,. . .，km 为多项式系数，C =a1； a2, a3, . . . , ak利用最小二乘法算法,求解多项式拟合的系数kQ, k1； k2, k3, . . .，km,处理器的MCU程序将该多项式固化其中，并利用该多项式对采集的数据进行多项式计算，即数据补偿。如图I所示，电路内部设置有232输出接口 5、485输出接口 6、422输出接口 7、V/I输出接口 8、IXD输出接口 9、CAN接口 10，提供多种输出接口，其中电路内部构造232输出接口 5、485输出接口 6、422输出接口 7可根据用户需要定制通信协议或按照标准协议提供输出，如ModBus等；CAN接口 10可实现Can2. Oa/b或Can Open协议输出。V/I输出接口 8能够提供电压和电流输出，输出电压可单极性或双极性，输出电压范围达-10VDC +10VDC，可通过软件内部调整电压输出范围。电流输出可达O 24mA范围，电流输出范围可通过软件内部调整。此外，所述数字化智能倾斜仪进一步包括高低温温度箱，用以对倾斜仪的零点温漂和灵敏度温漂做补偿。利用外部设备高低温实验箱对核心高精度MEMS倾角传感器I作温度补偿测试(灵敏度温漂、零点温漂)，内置24bitMCU 4利用内部最小二乘法算法对在线对测试数据处理、运算，计算出温度补偿系数，并存储于内部开辟的存储空间内，以后每-次测量数据输出都会被温度补偿系数修正，能够很好地降低温度对传感器的影响。零点温漂补偿方法包括对倾斜仪的零点输出做温度试验，测量出倾斜仪的零点输出受温度影响的变化，利用最小二乘法拟合出零点输出与温度变化之间的多项式关系式，Z = Z(T)，即 Z(T) = k0+k1T+k2T2+k3T3+. · · +kmTm，其中，kQ，k1； k2, k3,. . . , km 为多项式系数；利用最小二乘法算法，求解多项式拟合的系数Iv k1； k2, k3，. . .，kn，处理器的MCU程序将该多项式固化其中，并利用该关系式对零点输出做补偿。灵敏度温漂补偿方法包括对倾斜仪的灵敏度做温度试验，测量出倾斜仪的灵敏度受温度影响的变化，利用最小二乘法拟合出灵敏度与温度变化之间的多项式关系式，S=S(T)，即 S(T) = k0+k1T+k2T2+k3T3+. · · +kmTm，其中，k0, k” k2, k3，· · ·，km 为多项式系数；利用最小二乘法算法,求解多项式拟合的系数1 , k1； k2, k3，...，km,处理器的MCU程序将该多项式固化其中，并利用该关系式对灵敏度做补偿。上述三个补偿步骤使用了最小二乘法；三个补偿步骤中，多项式的系数k0, k1； k2, k3,. . . km根据实际情况计算,在三个补偿步骤中多项式的系数1 , k1； k2, k3,. . .，km并不要求相等。以上介绍了本实用新型数字化智能倾斜仪的组成，本实用新型在揭示上述数字化智能倾斜仪的同时，还揭示一种上述数字化智能倾斜仪的与陀螺仪结合的测量方法；请参阅图2，所述测量方法包括如下步骤·步骤SI倾角传感器提供高分辨率的倾斜角度，滤波单元对倾角传感器输出的模拟信号滤波；步骤S2处理器对倾角传感器输出的经过滤波的模拟信号进行高精度模数转换，在处理器内作数字信号滤波，达到真实地反映出倾角输出信息；步骤S3处理器对数字处理后的信号进行角度转换，利用外部高精度的数显分度转台对倾角传感器作线性补偿所需的数据作测试，所述处理器利用最小二乘法算法对在线测试数据运算，计算出合适的线性标定系数，并存储于处理器内的存储空间；步骤S4每一次测量后，处理器利用事先计算出的线性标定系数对测量的角度数据作线性补偿，达到提高倾角测量的线性度的目的。步骤S5每一次测量后，处理器根据陀螺仪的角速率判断动态和静态切换达到提供倾斜仪动态、静态测量性能的目的。步骤S6根据动态和静态的判断结果，选择对应的角度解算方式，达到提供倾斜仪的航向角度测量、及提高动态和静态测量精度的目的。综上所述，本实用新型提出的智能倾斜仪，能够提供航向、横滚、俯仰的准静态、高动态的高精度角度测量，能够满足工业应用、研究所及军工单位的测量应用需求。同时，本实用新型将陀螺仪与倾角传感器完美结合在一起，提供测量体横滚、俯仰、航向的角速率，实现强大的测量功能，相对现有数字倾斜仪有明显优势。本实用新型数字化智能倾斜仪硬性好、不易变形、耐高低温、密封性好；同时能够提供丰富的接口，如数字量RS232、RS485、RS422、CAN, IXD显示，数字接口软件协议可选，如Modbus, CAN2. Oa或Can2. Ob等，模拟量电压和电流，模拟量输出范围可设置。此外，本实用新型数字倾斜仪内部软件集成了自标定算法，能够在外部简单的操作实现数字倾斜仪本身数字自动标定。这里本实用新型的描述和应用是说明性的，并非想将本实用新型的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本实用新型的精神或本质特征的情况下，本实用新型可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本实用新型范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行 其它变形和改变。
权利要求1.一种智能倾斜仪，其特征在于，所述倾斜仪包括 倾角传感器，用以提供高分辨率的倾斜角度； 滤波单元，与所述倾角传感器连接，用以对所述倾角传感器输出的模拟信号进行滤波； 处理器，与所述滤波单元连接，用以对倾角传感器输出的、经过滤波的模拟信号进行高精度模数转换，在处理器内做数字信号滤波，真实地反映出倾角输出信息，并对数字处理后的信号进行角度转换； 数显分度转台，与所述处理器连接，用以对倾角传感器作线性补偿所需的数据作测试， 计算出合适的线性标定系数；所述处理器进一步利用数显分度转台计算出的线性标定系数对测量的角度数据作线性补偿； 陀螺仪单元，与所述处理器连接，提供测量体横滚、俯仰、航向的角速率； 电源系统，与所述倾角传感器、滤波单元、处理器、数显分度转台、陀螺仪单元连接，用以提供电源。
2.根据权利要求I所述的智能倾斜仪，其特征在于 所述滤波单元为硬件滤波单元，用以对倾角传感器输出的模拟信号带宽内滤波。
3.根据权利要求I所述的智能倾斜仪，其特征在于 所述倾斜仪进一步包括高低温温度箱，用以对倾斜仪的零点温漂做补偿。
4.根据权利要求I所述的智能倾斜仪，其特征在于 所述倾斜仪进一步包括高低温温度箱，用以对倾斜仪的灵敏度温漂做补偿。
5.根据权利要求I所述的智能倾斜仪，其特征在于 所述倾斜仪进一步包括232输出接口、485输出接口、422输出接口、V/I输出接口、IXD输出接口、CAN接口中的一个或多个。
6.根据权利要求I所述的智能倾斜仪，其特征在于 所述处理器为内置24bit模数转化单元AD的MCU。
7.根据权利要求I所述的智能倾斜仪，其特征在于 所述陀螺仪为内置陀螺模块，通过数字SPI接口 MCU连接。
8.根据权利要求I所述的智能倾斜仪，其特征在于 所述陀螺仪单元与所述处理器连接，用以提供横滚、俯仰、航向角速率信息，并将横滚、俯仰、航向角速率信息发送至处理器，由处理器对角速率积分运算出横滚、俯仰、航向的动态姿态角度。
专利摘要本实用新型揭示了一种智能倾斜仪，包括倾角传感器、滤波单元、处理器、数显分度转台、电源系统、陀螺仪单元。滤波单元用以对所述倾角传感器输出的模拟信号进行滤波；处理器用以对倾角传感器输出的经过滤波的模拟信号进行高精度模数转换，在处理器内作数字信号滤波，真实地反映出倾角输出信息，并对数字处理后的信号进行角度转换；数显分度转台与所述处理器连接，用以对传倾角感器作线性补偿所需的数据作测试，计算出合适的线性标定系数；陀螺仪单元与所述处理器连接，提供测量体横滚、俯仰、航向的角速率。本实用新型能够提供航向、横滚、俯仰的准静态、高动态的高精度角度测量，能够满足工业应用、研究所及军工单位的测量应用需求。
文档编号G01C25/00GK202648654SQ20122029308
公开日2013年1月2日 申请日期2012年6月20日 优先权日2012年6月20日
发明者张峰 申请人:上海辉格科技发展有限公司