CN101750046B - 一种角度测量装置和方法及工程机械 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种角度测量装置和方法，还涉及到具有该角度测量装置的工程机械。公开的角度测量装置包括微处理器、主加速度传感器，输出装置，还包括副加速度传感器、主加速度传感器主敏感轴的正方向与副加速度传感器敏感轴的正方向之间具有预定角度；主加速度传感器和副加速度传感器分别输出第一初始参数和第二初始参数；微处理器获得主加速度传感器的第一实际参数，再根据该第一实际参数获得更高精度的角度参数；第一实际参数表征在未受外界干扰时，主加速度传感器输出的参数。提供的角度测量装置和方法可以在动态状况下获得比较准确的测量结果。

Description

一种角度测量装置和方法及工程机械

技术领域

本发明涉及一种角度测量技术，特别涉及一种角度测量装置和方法，还涉及到具有该角度测量装置的工程机械。

背景技术

基于加速度传感器的角度测量装置具备体积小、功耗低、响应速度快和可靠性高等优点，因此，此种角度测量装置已经广泛应用于工程机械领域，用于实时测量预定部件的角度参数，以为工程机械的控制提供位置信息。

加速度传感器一般包括敏感元件，在受到作用力的作用时，该敏感元件可以在预定的敏感轴方向移动，且其移动产生的位移与受到作用力成预定的比例关系；这样，可以根据位移确定受到的作用力，进而实现对加速度的测量。在测量过程中，敏感元件的位移变化首先转换为相应的电信号，再将获得的电信号经过放大、降噪，模数转换得到数字信号；最后，根据信号与加速度预定的关系，获得被检测部件在敏感轴方向上的加速度，或被检测部件受到作用力的方向和大小。

基于加速度传感器的角度测量装置的工作原理是：在加速度传感器水平放置时，敏感元件在敏感轴方向上受到由重力产生的作用力为零，加速度传感器输出一个预定参数，也就是角度测量装置的零位时输出的参数zeroset。在角度测量装置的敏感轴与水平面成一定角度时，重力在敏感轴方向会产生相应的分力，该分力会使敏感元件产生相应的位移，此时，加速度传感器输出与此时角度相对应的表征加速度的参数X，然后通过微处理器对输出的参数进行处理，并根据预定敏感轴的正方向和负方向，输出角度参数。角度参数的获取方法可以为：α=arcsin｛（X-zeroset）/sensitivity｝，其中α为角度参数，sensitivity为角度测量装置的灵敏系数；X-zeroset表示在敏感轴方向，与敏感元件位移相对应的量。当然，角度测量装置可以根据初始位置、角度、测量的目的不同，对角度参数进行转换，以使输出的角度参数符合预定的要求，实现预定的目的。

根据上述描述，基于加速度传感器的角度测量装置输出的角度参数决定于敏感轴与重力方向之间的夹角，具体是敏感轴预定的正方向与重力方向之间角度。

根据上述描述可以看出，角度测量装置的测量角度参数需要以加速度传感器处于静止状态，敏感元件仅受重力作用为基础；因此，在角度测量装置处于运动状态时，获得的角度参数很难准确地表征其实际的角度。

然而，在利用上述角度测量装置测量工程机械相应部件的角度时，工程机械动作的多样性和频繁性，经常使角度测量装置处于运动状态；此状态下，加速度传感器的敏感元件不仅受到重力作用，还可能受到其他作用力的作用，这些作用力就形成了对角度测量装置的外界干扰，该外界干扰会使加速度传感器的敏感元件产生位移，从而降低角度测量装置的测量精度。例如，在混凝土泵车的臂架系统绕竖轴旋转过程中，臂架系统上的角度测量装置不仅要受到重力作用，还会受到由于旋转而产生的向心力，此时，臂架系统上的角度测量装置获得的角度参数就会产生很大的误差。为了获得比较准确的角度参数，一般需要等待臂架系统静止后再获取角度参数，这无疑会影响混凝土泵车的操作性能和作业效率。虽然角度测量装置可以通过滤波装置减小振动对角度测量装置测量精度的影响；但滤波装置并不能消除外界干扰对角度测量装置的不利影响。

如何降低外界干扰对角度测量的影响，提高角度测量装置的测量精度是当前技术人员面临的技术难题。

发明内容

针对上述技术难题，本发明的一方面的目的在于，提供一种角度测量装置和方法，以降低外界干扰对角度测量的影响，提高角度测量装置的测量精度。

本发明另一方面的目的在于，提供一种具有上述角度测量装置的工程机械，以提高工程机械的操作性能和工作效率。

为了实现第一方面的目的，本发明提供的角度测量装置包括微处理器、主加速度传感器，输出装置，与现有技术的区别在于，还包括至少一个副加速度传感器、所述主加速度传感器主敏感轴的正方向与副加速度传感器副敏感轴的正方向之间具有预定角度，该预定角度大于90度，且小于270度；所述主加速度传感器和副加速度传感器分别输出第一初始参数和第二初始参数；所述微处理器根据第一初始参数、第二初始参数和预定角度获得主加速度传感器的第一实际参数，再根据该第一实际参数获得角度参数；所述第一实际参数表征在未受外界干扰时，主加速度传感器输出的参数；

其中，第一实际参数通过以下公式获得：

$a_{X1}=(a_{X1}^{\′}-{a^{\′}}_{X2}/\cos (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ}))/2$

其中，a_X1代表第一实际参数，

代表第一初始参数，

代表第二初始参数，θ代表预定角度；

角度参数通过以下公式获得：

a＝arcsin((α_X1-zeroset)/sensitivity)

其中，a代表角度参数；zeroset代表所述主加速度传感器（210）在零位时输出的参数；sensitivity代表所述角度测量装置的灵敏系数；

所述输出装置用于将角度参数输出。

优选的，所述预定角度大于135度，小于225度。

优选的，所述预定角度为180度。

优选的，所述主加速度传感器与副加速度传感器相同。

优选的，所述角度测量装置还包括滤波装置，所述滤波装置用于过滤主加速度传感器和副加速度传感器输出的第一初始参数和第二初始参数，并将过滤后的第一初始参数和第二初始参数向微处理器输出。

优选的，所述角度测量装置还包括存储装置，所述存储装置用于存储预定参数，所述微处理器能够获取存储装置中存储的预定参数。

为了实现第二方面的目的，本发明提供的工程机械，包括底盘和安装在底盘上的执行部件，与现有技术的区别在于，所述执行部件上安装有上述任一种角度测量装置。

可选的，所述工程机械为混凝土泵车，所述执行部件包括臂架系统，所述臂架系统的各个臂段上安装有所述角度测量装置。

本发明提供的角度测量方法包括以下步骤：

S100，主加速度传感器和副加速度传感器分别获得第一初始参数和第二初始参数；所述主加速度传感器主敏感轴的正方向与副加速度传感器副敏感轴的正方向之间具有预定角度，所述预定角度大于90度，且小于270度；

S200，根据所述第一初始参数、第二初始参数和预定角度获得第一实际参数，该第一实际参数表征未受外界干扰时，主加速度传感器输出的参数；

其中，第一实际参数通过以下公式获得：

$a_{X1}=(a_{X1}^{\′}-{a^{\′}}_{X2}/\cos (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ}))/2$

其中，a_X1代表第一实际参数，

代表第一初始参数，

代表第二初始参数，θ代表预定角度；

S300，根据所述第一实际参数获得角度参数；

其中，角度参数通过以下公式获得：

a＝arcsin((α_X1-zeroset)/sensitivity)

其中，a代表角度参数；zeroset代表所述主加速度传感器（210）在零位时输出的参数；sensitivity代表角度测量装置的灵敏系数。

优选的，在步骤S100中，用多个所述副加速度传感器分别获得多个所述第二初始参数。

与现有技术相比，本发明提供的角度测量装置具有一个主加速度传感器和至少一个副加速度传感器，且主加速度传感器敏感轴的正方向与副加速度传感器敏感轴的正方向之间具有预定角度，该预定角度大于90度，小于270度。这样，在进行角度测量时，主加速度传感器能够根据角度测量装置在主敏感轴方向的受力获得第一初始参数，副加速度传感器也能够根据角度测量装置在主敏感轴方向的受力获取第二初始参数，且第一初始参数和第二初始参数之间具有预定的关系；由于外界干扰对主加速度传感器和副加速度传感器产生相同的影响，因此，在主敏感轴方向上，由于外界干扰而使第一初始参数和第二初始参数产生的误差相同，因此，可以根据第一初始参数和第二初始参数之间的预定的关系，消去误差，获得表征在未受外界干扰时，主加速度传感器应当输出的第一实际参数；再根据第一实际参数获得角度参数。这样，本发明提供的角度测量装置就可以减小由于外界干扰而产生的误差，提高角度测量装置的测量精度。

在优选的技术方案中，所述主敏感轴的正方向与副敏感轴的正方向之间的预定角度为180度，此时，外界干扰使第一初始参数和第二初始参数产生大小相等，方向相反的误差，从而可以通过获得第二初始参数和第二初始参数平均值的方法获得第一实际参数。该技术方案中，由于两个加速度传感器的敏感轴的正方向相反，因此，能够保证外界干扰使第一初始参数和第二初始参数产生大小相等，方向相反的误差；这样，一方面能够方便地获得第一实际参数，另一方面能够避免由于三角函数的转换而造成的误差，进一步地提高角度测量装置的测量精度；第三能够避免由于横向力作用对测量结果的影响，扩大角度测量装置的应用范围和场合。

在优选的技术方案中，所述主加速度传感器与副加速度传感器相同，具有相同的测量参数设置和测量基准，这样可以进一步的保证外界干扰量对两个加速度传感器产生相同的影响，提高角度测量装置的测量精度。

由于角度测量装置具有上述技术效果，具有上述角度测量装置的工程机械也具有相对应的技术效果，并且，由于角度测量装置能够在旋转、摆动或其他运动状态下获得可靠的角度参数，因此，可以在操作动作进行中，实现对角度参数的检测，提高工程机械的操作性能和作业效率。基于相同的测量原理，本发明提供的角度测量方法也具有相应的技术效果。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的角度测量装置的结构框图；

图2是本发明实施例一提供的角度测量装置的测量原理示意图；

图3是本发明实施例一提供的角度测量装置的工作流程图，同时也是本发明提供的角度测量方法的流程图；

图4是本发明实施例二提供的角度测量装置的测量原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

请参考图1和图2，图1是本发明实施例一提供的角度测量装置的结构框图，图2是本发明实施例一提供的角度测量装置的测量原理示意图。

实施例一提供的角度测量装置包括微处理器100、主加速度传感器210，副加速度传感器220和输出装置300。如图2所示，主加速度传感器210主敏感轴X1的正方向与副加速度传感器220副敏感轴X2的正方向之间具有预定角度θ，该预定角度θ大于90度，且小于270度。

主加速度传感器210根据角度测量装置在主敏感轴X1方向上的受力获得第一初始参数第一初始参数

为表征角度测量装置在主敏感轴X1方向上的加速度的参数；同样，副加速度传感器220根据角度测量装置在副敏感轴X2方向上的受力获得第二初始参数第二初始参数

为表征角度测量装置在副敏感轴X2方向上的加速度的参数。

根据图2所示，在角度测量装置受到与主敏感轴X1方向平行的作用力F作用时，作用力F在副敏感轴X2方向的分量为f，f＝F×cos(π-θ)，根据加速度传感器测量原理，第一初始参数

和第二初始参数

分别与作用力F和分量f相关；设在没有外界干扰时，主加速度传感器210应当输出的第一实际参数为a_X1；副加速度传感器220应当输出的第二实际参数为a_X2。

可以确定公式（3）：a_X2=-a_X1×cos(π-θ)。

微处理器100用于根据第一初始参数

第二初始参数

和预定角度θ获得第一实际参数a_X1；再根据所述第一实际参数a_X1获得角度参数a；

输出装置300用于将获得的角度参数a输出，使操作人员或工程机械的操作系统能够获得角度测量装置测量的结果，再根据预定的策略确定角度测量装置所在部件的倾斜角度。

请参考图3，该图是本发明实施例一提供的角度测量装置的工作流程图，同时，也是本发明提供的角度测量方法的流程图。在角度测量装置受到与主敏感轴X1方向平行的作用力F的作用时，通过以下步骤获得角度参数：

步骤S100，主加速度传感器210和副加速度传感器220分别获得第一初始参数和第二初始参数

步骤S200，根据第一初始参数

第二初始参数和预定角度θ获得第一实际参数a_X1。

该步骤可以由微处理器100进行，具体方式是：

设外界干扰在主敏感轴X1方向上使主加速度传感器210产生的误差为Δa；这样，可以得出公式（1）：

$a_{X1}^{\′}=a_{X1}+\mathrm{\Δa}$

同样，外界干扰在主敏感轴X1方向上使副加速度传感器220产生的误差也为Δa；此时，可以得出公式（2）：

$a_{X2}^{\′}/\cos (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ})=a_{X2}/\cos (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ})+\mathrm{\Δa}$

根据公式（3）：a_X1=-a_X2/cos(π-θ)，可以将公式（1）代入公式（2）中，消去Δa，获得公式（4）：

$a_{X1}=(a_{X1}^{\′}-{a^{\′}}_{X2}/\cos (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ}))/2$

从而获得第一实际参数a_X1，为下一步骤中，获得更精确的角度参数a提供前提。

S300，根据所述第一实际参数a_X1获得角度参数，也就是角度测量装置的测量结果。

具体方式是：

a＝arcsin((α_X1-zeroset)/sensitivity)

其中a为角度参数，zeroset是主加速度传感器210在零位时输出的参数，sensitivity为角度测量装置的灵敏系数，通过三角函数关系得出角度参数a。其中，zeroset和sensitivity可以预置于角度测量装置中；还够避免由于横向力作用对测量结果的影响，扩大角度测量装置的应用范围和场合。

根据上述描述，为了使外界干扰对主加速度传感器210和副加速度传感器220产生的影响相同，优选的技术方案中，可以选用相同的加速度传感器作为主加速度传感器210和副加速度传感器220，使主加速度传感器210和副加速度传感器220具有相同的测量参数设置和测量基准。

为了更进一步的提高角度测量装置的测量精度，还可以在使角度测量装置具有多个副加速度传感器220，并分别获得多个第二初始参数

再以上述公式（1）、（2）、（3）获得多个中间参数，然后再获得上述多个中间参数的平均值作为第一实际参数a_X1；这样能够更好地消除一个副加速度传感器220的误差，提高角度测量装置的测量精度。

设上述主敏感轴X1和副敏感轴X2形成平面P，在外界干扰产生与平面P平行，且与作用力F垂直的横向力作用时，

就不完全与作用力F的分力f相对应，公式（2）就会产生相应的误差，进而，使获得的角度参数误差增加。为了减小由于横向力作用导致的误差，可以限定预定角度θ，比如可以使预定角度θ大于135度，小于225；为了从根本上减小由于横向力作用导致的误差，本发明实施例二还提供了另一种角度测量装置。

与实施例一提供的角度测量装置相比，其不同之处在于：主加速度传感器210的主敏感轴X1的正方向与副加速度传感器220的副敏感轴X2的正方向之间的预定角度θ等于180度；如图4所示的本发明实施例二提供的角度测量装置的测量原理示意图，主敏感轴X1与副敏感轴X2保持平行，正方向保持相反，正方向之间的预定角度θ等于180度。这样，主加速度传感器210和副加速度传感器220输出的第一初始参数

和第二初始参数不会由于横向力作用而变化，从而可以避免由于横向力作用而导致测量精度降低，保持角度测量装置的测量精度。

当θ为180°时，相应地，

公式（2）为： $a_{X2}^{\′}=a_{X2}+\mathrm{\Δa}$

公式（3）为：a_X1=-a_X2

公式（4）为： $a_{X1}=(a_{X1}^{\′}-a_{X2}^{\′})/2$

从而，可以更加方便地获得第一实际参数a_X1；同时，还可以避免由于三角函数的转换而产生的误差。

应当说明的是，在空间关系中，在主敏感轴X1和副敏感轴X2不仅包括上述相交和平行关系，还可以是异面关系。在主敏感轴X1和副敏感轴X2之间为异面关系时，预定角度θ为主敏感轴X1正方向与副敏感轴X2正方向在一个参考平面上的投影形成的角度，该参考平面同时与主敏感轴X1和副敏感轴X2保持平行。在主敏感轴X1和副敏感轴X2为任一关系时，主敏感轴X1的正方向和副敏感轴X2的正方向之间的预定角度θ可以为副敏感轴X2正方向与一个参考射线延伸方向之间的角度，该参考射线的端点为主敏感轴X1上预定点，且其延伸方向与副敏感轴X2正方向平行，只要满足这个条件就可以实现本发明的目的。

一般来讲，角度测量装置还包括滤波装置，滤波装置用于过滤主加速度传感器210和副加速度传感器220输出信号，将预定干扰性信号过滤掉，并将过滤后的信号微处理器输出。提高第一初始参数

和第二初始参数

的准确性。另外，还可以设置单独的存储装置，以存储参数zeroset、灵敏系数sensitivity或其他预定的参数；当然，也可以在微处理器100中存储相应参数。

在上述角度测量装置的基础，本发明还提供了一种工程机械，该工作机械包括底盘和执行部件，执行部件上安装有上述任一种角度测量装置；特别地，所述工程机械可以是混凝土泵车，混凝土泵车包括底盘和臂架系统，臂架系统可旋转地安装在底盘上，臂架系统由多个顺序铰接的臂段形成，角度测量装置可以安装在臂段上，以确定各个臂段的角度；这样，在臂架系统相对于底盘旋转时，上述角度测量装置也可以准确地获得相应臂段的角度，从而不需要等待臂架系统静止后再确定各臂段的倾斜角度，可以提高混凝土泵车的操作性能和工作效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，比如说，主加速度传感器210可以是双轴加速度传感器，此时，可以相应地将副加速度传感器220设置为双轴加速度传感器，或设置两个副加速度传感器220，等等，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种角度测量装置，包括微处理器（100）、主加速度传感器（210），输出装置（300），其特征在于，还包括至少一个副加速度传感器（220）、所述主加速度传感器（210）主敏感轴（X1）的正方向与副加速度传感器（220）副敏感轴（X2）的正方向之间具有预定角度，该预定角度大于90度，且小于270度；

所述主加速度传感器（210）和副加速度传感器（220）分别输出第一初始参数和第二初始参数；

所述微处理器（100）根据第一初始参数、第二初始参数和预定角度获得主加速度传感器（210）的第一实际参数，再根据该第一实际参数获得角度参数；所述第一实际参数表征在未受外界干扰时，主加速度传感器输出的参数；

其中，第一实际参数通过以下公式获得：

α_X1=(

-

 /cos(π-θ))/2

其中，α_X1代表第一实际参数， 

代表第一初始参数， 

代表第二初始参数，θ代表预定角度；

角度参数通过以下公式获得：

a＝arcsin((α_X1-zeroset)/sensitivity)

其中，a代表角度参数；zeroset代表所述主加速度传感器（210）在零位时输出的参数；sensitivity代表所述角度测量装置的灵敏系数；

所述输出装置（300）用于将角度参数输出。

2.根据权利要求1所述的角度测量装置，其特征在于，所述预定角度大于135度，小于225度。

3.根据权利要求2所述的角度测量装置，其特征在于，所述预定角度为180度。

4.根据权利要求1-3任一项所述的角度测量装置，其特征在于，所述主加速度传感器（210）与副加速度传感器（220）相同。

5.根据权利要求1-3任一项所述的角度测量装置，其特征在于，还包括滤波装置，所述滤波装置用于过滤主加速度传感器（210）和副加速度传感器（220）输出的第一初始参数和第二初始参数，并将过滤后的第一初始参数和 第二初始参数向微处理器（100）输出。

6.根据权利要求1-3任一项所述的角度测量装置，其特征在于，还包括存储装置，所述存储装置用于存储预定参数，所述微处理器（100）能够获取存储装置中存储的预定参数。

7.一种工程机械，包括底盘和安装在底盘上的执行部件，其特征在于，所述执行部件上安装有权利要求1-6任一项所述的角度测量装置。

8.根据权利要求7所述的工程机械，其特征在于，所述工程机械为混凝土泵车，所述执行部件包括臂架系统，所述臂架系统的各个臂段上安装有所述角度测量装置。

9.一种角度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100，主加速度传感器（210）和副加速度传感器（220）分别获得第一初始参数和第二初始参数；所述主加速度传感器（210）主敏感轴（X1）的正方向与副加速度传感器（220）副敏感轴（X2）的正方向之间具有预定角度，所述预定角度大于90度，且小于270度；

S200，根据所述第一初始参数、第二初始参数和预定角度获得第一实际参数，该第一实际参数表征未受外界干扰时，主加速度传感器输出的参数；

其中，第一实际参数通过以下公式获得：

α_X1=(

-

 /cos(π-θ))/2

其中，α_X1代表第一实际参数， 代表第一初始参数， 

代表第二初始参数，θ代表预定角度；

S300，根据所述第一实际参数获得角度参数；

其中，角度参数通过以下公式获得：

a＝arcsin((α_X1-zeroset)/sensitivity)，

其中，a代表角度参数；zeroset代表所述主加速度传感器（210）在零位时输出的参数；sensitivity代表角度测量装置的灵敏系数。

10.根据权利要求9所述的角度测量方法，其特征在于，

在步骤S100中，用多个所述副加速度传感器（220）分别获得多个所述第二初始参数。 

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