一种数字式倾角传感器及测量方法与流程

本发明涉及倾角传感器技术领域，更具体的涉及一种数字式倾角传感器及测量方法。

背景技术：

测斜技术是确定物体在空间的倾斜和倾向的专门技术，它应用于空间飞行器的惯性测量系统、机器人的机械臂伸展确定、车船体倾斜测量、岩体倾向判断、工程钻孔轨迹检测等许多方面。倾角传感器是测量关于水平面倾角的一种装置，在土木建筑、水文地质、兵器、航空、航天、生物医学等工程技术领域有着广泛的用途。

现有的倾角传感器是利用在重力场中的受力方向始终保持铅真方向的特性，按工作原理可分为“气体摆”式、“液体摆”式和“固体摆”式、三种。在重力场中，“气体摆”式倾角传感器的敏感质量为气体，气体质量小，在大冲击或高过载环境下所受惯性力也小，所以具有较强的抗冲击振动的能力，但气体运动控制复杂，运动过程易受外界因素影响，故其精度无法做到很高。“液体摆”式倾角传感器系统稳定，在高精度系统中应用较为广泛，但“液体摆”式倾角传感器一般体积较大，不适于在小型便携式设备中使用。“固体摆”式倾角传感器的敏感质量是摆锤质量，有明确的摆长和摆心，随着MEMS技术的发展，“固体摆”式倾角传感器产品测量范围、精度及抗高过载都得到了很大提高，而且具有体积小，重量轻等优点。

综上所述，现有技术中的倾角传感器，存在“气体摆”式倾角传感器精度小，以及“液体摆”式体积大的问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种数字式倾角传感器及测量方法，用以解决现有技术中存在“气体摆”式倾角传感器精度小，以及“液体摆”式体积大的问题。

本发明实施例提供一种数字式倾角传感器，包括：三轴加速度传感器和微处理器；

所述三轴加速度传感器设置在转台上，所述三轴加速度传感器，用于获取转台在三维坐标系下的三个轴的轴向原始模拟加速度信号；

所述微处理器，用于将三个轴的轴向原始模拟加速度信号分别转换为三个轴的轴向原始数字加速度信号；用于根据三个轴的轴向原始数字加速度信号，通过误差补偿算法，获取三个轴的轴向补偿数字加速度信号；以及用于根据三个轴的轴向补偿数字加速度信号，获取转台在三维坐标系下的倾角信号。

较佳地，所述三轴加速度传感器采用ADI公司的三轴MEMS加速度计。

较佳地，所述微处理器采用Silicon Labs公司的的C8051F35X系列微控制器。

较佳地，所述三轴加速度传感器通过滤波模块与所述微处理器内部的AD转换模块电连接。

较佳地，稳压电源模块通过基准电源模块分别与所述三轴加速度传感器和所述微处理器电连接。

较佳地，所述微处理器与计算机之间通过串口电连接。

本发明实施例提供一种数字式倾角传感器的测量方法，包括：

转动转台，通过三轴加速度传感器，获取转台在三维坐标系下的三个轴的轴向原始模拟加速度信号；

将三个轴的轴向原始模拟加速度信号分别转换为三个轴的轴向原始数字加速度信号；

根据三个轴的轴向原始数字加速度信号，通过公式(1)，获取三个轴的轴向补偿数字加速度信号；

根据三个轴的轴向补偿数字加速度信号，通过公式(2)和公式(3)，获取转台在三维坐标系下的倾角信号；

所述公式(1)如下所示：

所述公式(2)如下所示：

所述公式(3)如下所示：

其中，A_x、A_y和A_z分别为x轴、y轴和z轴的轴向补偿数字加速度信号；a_x、a_y和a_z分别为x轴、y轴和z轴的轴向原始数字加速度信号；c₁₁、c₁₂、c₁₃、c₂₁、c₂₂、c₂₃、c₃₁、c₃₂、c₃₃、d₁、d₂和d₃为补偿系数；θ为俯仰角；r为滚转角。

本发明实施例中，提供一种数字式倾角传感器及测量方法，与现有技术相比，其有益效果如下：该倾角传感器为“固体摆”式倾角传感器，通过采用三轴加速度传感器采集物体的姿态加速度信号，通过微处理器实现信号的处理和误差补偿，即经过误差补偿的倾角信号，弥补了现有同类技术中非线性误差大的缺点，提高了精度，本发明具有体积小、功耗小、成本低、抗振动冲击能力强、适用于宽温严酷环境的优点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种数字式倾角传感器原理结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种数字式倾角传感器的测量方法流程图；

图3为本发明实施例提供的三轴加速度计测量三轴向的重力分量的原理示意图；

图4为本发明实施例提供的姿态角坐标。

附图标记说明：

1-三轴加速度传感器，2-微处理器，3-滤波模块，4-基准电源模块，5-稳压电源模块，6-计算机。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

图1为本发明实施例提供的一种数字式倾角传感器原理结构示意图。如图1所示，该倾角传感器包括：三轴加速度传感器1和微处理器2。

具体地，三轴加速度传感器1设置在转台上，三轴加速度传感器1，用于获取转台在三维坐标系下的三个轴的轴向原始模拟加速度信号；微处理器2，用于将三个轴的轴向原始模拟加速度信号分别转换为三个轴的轴向原始数字加速度信号；用于根据三个轴的轴向原始数字加速度信号，通过误差补偿算法，获取三个轴的轴向补偿数字加速度信号；以及用于根据三个轴的轴向补偿数字加速度信号，获取转台在三维坐标系下的倾角信号。

较佳地，三轴加速度传感器1采用ADI公司的三轴MEMS加速度计。

需要说明的是，一般把加速度传感器与信号调理电路集成后制成的组件称为加速度计。加速度计广泛用来测量倾斜角、惯性力、冲击和振动等。加速度计的测量单位是g，g是指物体在只受重力的情况下，因重力作用而产生的加速度，称为重力加速度(重力加速度的计算公式见下面的分析)。加速度计的分类可以按照测量范围分为低加速度计(<l0g)和高加速度计(>l0g)；按照测量轴的数目分为单轴、双轴或多轴加速度计。

需要说明的是，在地球上任何位置的物体都受到重力的作用而产生一个加速度，把三轴加速度传感器固定在物体上，当物体姿态改变时，三轴加速度传感器的敏感轴输出信号随之改变，因此利用沿载体坐标系安装的三轴加速度传感器，可以在静止状态下确定载体的姿态倾角的变化即俯仰角和倾斜角。

较佳地，微处理器2采用SiliconLabs公司的的C8051F35X系列微控制器。

倾角测量原理如下：

加速度传感器可以用来测定变化或恒定的加速度。在地球上任何位置的物体都受到重力的作用而产生一个加速度，重力加速度就是恒定加速度的一个特例。

把三轴加速度传感器固定在物体上，当物体姿态改变时，加速度传感器的敏感轴相对于重力场发生变化，加速度传感器的敏感轴输出重力在其相应方向产生的重力分量信号Ai，因此利用沿载体坐标系安装的三轴加速度输出信号即可确定载体的倾角。

利用三轴加速度计测量三轴向的重力分量的原理如图3所示，三轴加速度计由三个单轴加速度计正交组合而成，每个单轴加速度计分别用于测量OX、OY、0Z轴向的重力加速度值。三轴加速度传感器每个测量轴的输出信号分别用Ax、Ay、Az，当处于水平位置时，由于X轴、Y轴处于水平方向，此时两轴的加速度信号Ax、Ay分别为0g，而Z轴由于垂直向下，此时的加速度信号为1g。

以三向量轴重力加速度计测量物体轴向的静态重力加速度分量，从地面固连坐标系(OX_dY_dZ_d)转到物体固连坐标系(OXYZ)下，通过数值计算，能准确判断物体的倾斜，判断物体的倾角。

较佳地，三轴加速度传感器1通过滤波模块3与微处理器2内部的AD转换模块电连接。

较佳地，稳压电源模块5通过基准电源模块4分别与三轴加速度传感器1和微处理器2电连接；通过基准电源模块4为三轴加速度传感器1和微处理器2提供3.3V电压。

较佳地，微处理器2与计算机6之间通过串口电连接；计算机6用于显示倾角值。

图2为本发明实施例提供的一种数字式倾角传感器的测量方法流程图。如图2所示，该测量方法包括：

步骤S201，转动转台，通过三轴加速度传感器，获取转台在三维坐标系下的三个轴的轴向原始模拟加速度信号。

步骤S202，将三个轴的轴向原始模拟加速度信号分别转换为三个轴的轴向原始数字加速度信号。

步骤S203，根据三个轴的轴向原始数字加速度信号，通过公式(1)，获取三个轴的轴向补偿数字加速度信号。

公式(1)如下所示：

需要说明的是，由于在非理想工作环境下，由于三轴加速度计输出的三路信号的零位、灵敏度等不一致，且又经过本系统的放大，采样等环节，采样到的输入信号存在误差，根据对误差原因的分析，加速度传感器的校正过程可等效为求取公式(1)中的误差补偿关系式中的12个系数。

需要说明的是，补偿矩阵系数预先存储在Flash中，单片机上电后，加载到片内RAM中。输入信号经补偿计算后得到无误差的分量信号。其校正参数可直接根据三轴加速度传感器的测量值求解计算。

需要说明的是，校正过程为：调整转台至水平状态，并将三轴加速度传感器构成的倾角测量系统放置在转台上，转动转台位于不同的俯仰角和滚转角组合姿态下，记录三轴传感器的输出及相应的俯仰角和滚转角，从而通过多组记录值计算补偿系数。

步骤S204，根据三个轴的轴向补偿数字加速度信号，通过公式(2)和公式(3)，获取转台在三维坐标系下的倾角信号。

公式(2)如下所示：

公式(3)如下所示：

其中，A_x、A_y和A_z分别为x轴、y轴和z轴的轴向补偿数字加速度信号；a_x、a_y和a_z分别为x轴、y轴和z轴的轴向原始数字加速度信号；c₁₁、c₁₂、c₁₃、c₂₁、c₂₂、c₂₃、c₃₁、c₃₂、c₃₃、d₁、d₂和d₃为补偿系数；θ为俯仰角；r为滚转角。

需要说明的是，俯仰角θ：测量物体轴OX与水平面OX_dY_d之间的角度。当轴X向上方倾斜时，θ为正。滚转角r：测量物的对称平面OX_dY_d与包含轴X_d的铅垂平面之间的夹角。按右手法则，当右侧下倾、左侧上倾时，r为正。

图4为本发明实施例提供的姿态角坐标。如图4所示，A_x、A_y和A_z为坐标系转动后分别测得的各轴的加速度值，θ和r分别表示俯仰角和滚转角，转动范围为[-90°，+90°]。θ表示坐标系X₁Y₁Z₁绕轴Y₁轴旋转的角度，从而得到X₂Y₂Z₂，r表示坐标系X₂Y₂Z₂绕轴X₂轴旋转的角度，从而得到三轴加速度计在X₁Y₁Z₁坐标系下测得的三轴加速度的值为[0，0，g]，在XYZ坐标系下测得的三轴加速度的值为[A_x，A_y，A_z]。

设转动角度φ、θ和r均为正向，根据图4的第一曲线图有：

由图4的三个曲线图有：

由上式有：

由上述三个公式可得：

由上式可以得到如下公式：

从而可得：

本发明所求的姿态倾角为：

根据上述理论分析可知，倾角解算公式为：

需要说明的是，CORDIC算法作为一种用于矢量旋转计算的迭代算法，它的基本思想是把预旋转的某一特定角度分解，用一组预先规定的基本角度集的线性组合表示，即进行多次基本角度的旋转。

可以看出，倾角解算即进行反正切计算。利用CORDIC算法的向量模式实现，迭代方程如下：

向量模式中，即μ(i)为符号函数，值由Y(i)的符号确定，X(0),Y(0)(后用X₀,Y₀)为两给定向量的两个分量值，Z(0)＝0。迭代开始，选取合适的S(i)使Y(i+1)最小，把此时的μ(i)、S(i)代入迭代方程的式1中求相应的X(i+1)，由μ(i)和S(i)查表得到的α[S(i)]求Z(i+1)，至此完成一次迭代过程。经过R_m次迭代后，输出结果为：

其中，同样需要加上比例因子的计算和矢量模的补偿步骤，即令K＝1/P，X(i+1)'＝K*X(i+1)

迭代结果最终为：

可以看出，经过CORDIC迭代，不仅求出了反正切值，还附带求出了矢量的模，精度满足要求。

需要说明的是，迭代求出的仅仅是与角度值的对应的数据，还需要进一步转化为实际的角度值，以便输出到计算机中。系统设定角度的分辨率为0.1°。

需要说明的是，上述补偿方法为安装误差补偿方法，本发明还包括非线性补偿方法，即单轴加速度的输出信号与其倾斜角度的正弦值成正比，因此，我们采用了将正弦值与加速度值线性化的方法，进行每个轴的加速度非线性补偿。具体方法如下：

(1)：首先计算出每一正弦值下对应的角度x，然后确定校准加速度计的那个轴，依次旋转校准轴到角度x，将校准轴的输出加速度值记录在表中。

(2)：曲线拟合的目的是用一个简单的函数去逼近一个复杂的或未知的函数，所依据的的条件都是在一个区间上的有限个采样点的函数值。设f(x)是被插值函数，p(x)是一个多项式，当满足两函数差的平方和最小时，称p(x)是f(x)的一个最佳平方逼近。曲线采样最小二乘法则进行拟合时，实际是求一个系数向量，该系数向量是一个多项式的系数。本设计需要将每个轴线性化为：Sin(角度)＝k*ai+b，即求出k和b的值。

综上所述，本发明的倾角传感器为“固体摆”式倾角传感器，通过采用三轴加速度传感器采集物体的姿态加速度信号，通过微处理器实现信号的处理和误差补偿，即经过误差补偿的倾角信号，弥补了现有同类技术中非线性误差大的缺点，提高了精度，本发明具有体积小、功耗小、成本低、抗振动冲击能力强、适用于宽温严酷环境的优点。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。