一种道路照明照度自动测量装置及测量方法与流程

本发明涉及道路照明质量检测领域，特别涉及一种半导体发光二极管道路照明照度自动测量装置及测量方法。

背景技术：

随着半导体发光二极管技术的成熟，LED道路照明灯具在近年来得到广泛推广应用，相对于传统高压钠灯道路照明，LED照明具有节能、平均照度高、照度均匀度好、光衰小等优点，通过长期监测和分析LED道路照明的照度值对城市道路照明改造工程具有现实的指导意义。在机动车交通道路照明照度的测量过程中，为了降低测量过程对交通道路通行的影响，通常采用逐条封闭车道的方式进行测量。然而，在人车共同参与的测量环境中，尤其是快速路、主干道等车流量大、车速较快的道路，即使逐条封闭车道，采用人工布点的方式进行照度测量始终存在着极大的安全隐患和照度均匀度测量误差较大的问题。为了避免测量过程中的安全隐患和减小测量误差，本设计旨在研究开发一种基于惯性导航技术实现自动定位测量道路LED照明照度自动测量装置，能够实现自动布点、自动定位测量等功能。

目前，在检测过程中，对于人行道路和机动车交通道路，无论何种照度测量方法均采用人工布点测量的方式。机动车交通道路照度的测量过程中，为了降低测量过程对交通道路通行的影响，通常采用逐条封闭车道的方式进行测量。然而，在人车共同参与的测量环境中，尤其是快速路、主干道等车流量大、车速较快的道路，即使逐条封闭车道，采用人工布点的方式进行照度测量始终存在着极大的安全隐患。为了避免这些安全隐患，本设计旨在研究开发一种室外照明自动测量装置，能够实现自动布点、自动定点测量且能够计算并显示平均照度和照度均匀度等参数。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种道路照明照度自动测量装置及测量方法，能够利用捷联惯性导航结合编码器、激光测距数据修正的方案实现自动行走小车的导航定位。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种道路照明照度自动测量装置及测量方法，主要包括微控制器、陀螺加速度计模块、三轴数字罗盘模块、激光修正模块、直流电机驱动模块、左/右直流电机、左/右编码器、超声波避障模块和蓝牙通讯模块；左/右直流电机与左/右编码器共轴安装；

所述微控制器用于进行惯性导航和定位计算，并可通过蓝牙模块实现与移动设备端的数据通信；所述陀螺加速度计算模块用于测量三轴加速度和三轴角速度；所述三轴数字罗盘模块用于测量三轴磁力计数据并计算旋转矩阵；所述激光修正模块用于对位置信息和航向数据进行修正，消除积累误差；

所述微控制器分别与所述陀螺加速度计、三轴数字罗盘模块、激光修正模块通信连接，并接收超声波避障模块和左/右编码器的信息，输出端依次连接直流电机驱动模块和左右直流电机。

本发明还提供一种道路照明照度测量方法，通过如下步骤实现：

步骤1：微控制器利用角速度得到实时更新的四元数值，计算出旋转矩阵，完成载体坐标系到导航坐标系的转换，并通过旋转矩阵解算出自动行走小车在现状态下的姿态角Ⅰ；

步骤2：利用加速度计和磁力计测量出的姿态角并经卡尔曼滤波后得到姿态角Ⅱ；并结合编码器数据进行加权融合计算得出修正后的最优姿态角；

步骤3：利用比力方程完成加速度由载体坐标系到导航坐标系的换算，并对导航坐标系下的加速度两次积分得到的位置信息L1与编码器得到位置信息L2加权融合的到现状态下的最优位置信息；

步骤4：通过最优位置信息实现对照度测试点的定位；在每个照度测试点利用激光测距的方法对位置信息数据和航向数据进行修正，消除积累误差的影响。

优选地，所述的四元数算法需要先用迭代算法更新四元数的值并对其进行归一化处理，再通过归一化后四元数计算出旋转矩阵，从旋转矩阵的三角表达式中即可解算出姿态角Ⅰ。

区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：惯性导航具有数据更新速度快、短期精度高、稳定性好，无需外接交互等优点而得到了广泛的应用。本设计采用捷联惯性导航结合编码器、激光测距数据修正的方案可以实现自动行走小车的导航定位；同时取代传统的人工布点测试以及车道封闭测试模式，提高了测量的安全性和效率，避免安全隐患的出现，也不会对交通产生较大的影响。

附图说明

图1是本发明实施例道路照明照度自动测量装置及测量方法的示意图。

图2是本发明实施例姿态角Ⅰ计算过程。

图3是本发明实施例姿态角Ⅱ的计算过程。

图4是本发明实施例最优姿态角计算过程。

图5是本发明角度计算示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，提供一种道路照明照度自动测量装置及测量方法，主要包括微控制器、陀螺加速度计模块、三轴数字罗盘模块、激光修正模块、直流电机驱动模块、左/右直流电机、左/右编码器、超声波避障模块和蓝牙通讯模块；左/右直流电机与左/右编码器共轴安装；

在本实施例中，微控制器采用STM32F103VCT6芯片，陀螺加速度计模块采用MPU6050芯片，三轴数字罗盘模块采用HMC5983芯片，其中微控制器是自动行走小车的控制核心，用于实现惯性导航算法和定位算法，以及导航定位误差修正、直流电机转速的控制、超声波避障控制，并通过蓝牙通讯模块实现与手持主机的数据通信。MPU6050模块用于测量三轴加速度和三轴角速度，HMC5983模块由于测量三轴磁力计数据。

所述微控制器分别与所述陀螺加速度计、三轴数字罗盘模块、激光修正模块通信连接，并接收超声波避障模块和左/右编码器的信息，输出端依次连接直流电机驱动模块和左右直流电机。

参见图2所示，STM32F103VCT6微控制器利用角速度得到实时更新的四元数值，所述四元数算法中涉及到两个坐标系：载体坐标系和导航坐标系，先用迭代算法更新四元数的值并对其进行归一化处理，再通过归一化后四元数计算出旋转矩阵，从旋转矩阵的三角表达式中即可解算出姿态角Ⅰ；如图3所示，利用加速度计和磁力计测量出的姿态角并经卡尔曼滤波后得到姿态角Ⅱ；如图4所示，微控制器结合编码器数据进行加权融合计算得出修正后的最优姿态角；利用比力方程完成加速度由载体坐标系到导航坐标系的换算，并对导航坐标系下的加速度两次积分得到的位置信息L1与编码器得到位置信息L2加权融合的到现状态下的最优位置信息；再通过最优位置信息实现对照度测试点的定位；所述激光壁障模块会在每个照度测试点利用激光测距的方法针对惯性导航位置信息固有的误差累计问题以及航向误差，以及小车行走时振动、冲击对导航定位的影响，通过在每个照度测试点利用激光测距的方法进行修正。

如图5所示，四元数算法能够快速地实现载体坐标系(b系)到导航坐标系(n系)的坐标转换。先用毕卡逼近法的二阶近似迭代算法更新四元数的值并对其进行归一化处理，再通过归一化后四元数计算出旋转矩阵：

上式中，(n系到b系)为旋转矩阵，q₀是四元数的标量部分，表示转角的一半余弦值，q₁～q₃是四元数矢量部分的系数，表示瞬时转动轴的方向、瞬时转动轴与参考坐标系轴间的方向余弦值，从旋转矩阵的三角表达式中即可计算出姿态角Ⅰ：

由上式可得：

加速度计在载体静止或匀速运动状态下且指南针模块不受干扰时测量出的姿态角Ⅱθ₂(k)、γ₂(k)、ψ₂(k)比较接近真实值，将得到的两个姿态角进行加权平均融合修正，得出最优姿态角θ(k)、γ(k)、ψ(k)如下：

通过上述方式，本发明实施例的道路照明照度自动测量装置及测量方法采用捷联惯性导航结合编码器、激光测距数据修正的方案可以实现自动行走小车的导航定位；同时取代传统的人工布点测试以及车道封闭测试模式，提高了测量的安全性和效率，避免安全隐患的出现，也不会对交通只需产生较大的影响。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。