CN101798793A - 一种车载式大波浪路形测量方法及其测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车载式大波浪路形测量方法及其测量系统，该方法包括以下步骤：1)设置一包括单轴加速度计、陀螺仪、光电编码器、单片机和车载式计算机的测量系统；2)对单轴加速度计、陀螺仪和光电编码器进行标定；3)利用单轴加速度计测量检测车起始状态的俯仰角；4)利用陀螺仪和起始状态的俯仰角，得到任意时刻的俯仰角；5)利用光电编码器测量任意相邻两时刻的行驶里程；6)将三个传感器测量到的数据由单片机内模数转换器采集后输入车载计算机；7)由车载式计算机内的数据处理模块对所测量到的数据进行处理，得到路形曲线图，并实时显示出相应路面形状。本发明采用陀螺仪作为检测车的角速度测量仪，具有较高的精度和灵敏度，保证了测量结果的准确性。本发明可以广泛应用于各种路形测量中。

Description

一种车载式大波浪路形测量方法及其测量系统

技术领域

本发明涉及一种路形测量方法，特别是关于一种基于惯性原理的车载式大波浪路形测量方法及其测量系统。

背景技术

针对大波浪路面，为了准确获得路面形状，需要测得坡度上每一点沿纵向的标高。所谓的标高，指的是某一点到基准面的竖向高度。标高是确定地面点位置的要素之一。目前，测量标高最常用的方法为水准测量。水准测量是用水准仪和水准尺测量地面上两点之间高差的方法，是沿水准路线逐点向前推进的方式实施。在大地测量中，因边线较长，两点之间的高差必须考虑到地球弯曲差和大气垂直折光的作用，这就造成了测量结果的不准确性。而且该方法测量过程需要几个人合作完成，测量效率低下，无法进行快速车载式测量。同时该方法由于人为因素，测量误差也不容易控制。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种测量效率和准确性较高、测量方法简单且适合车载使用进行快速测量的车载式大波浪路形测量方法及其测量系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种车载式大波浪路形测量方法，其包括以下步骤：1)设置一包括单轴加速度计、陀螺仪、光电编码器、单片机和车载式计算机的测量系统；2)对单轴加速度计、陀螺仪和光电编码器进行标定，将得到传感器与实际测量值之间的比例参数输入到车载式计算机内；3)利用单轴加速度计测量检测车起始状态的俯仰角θ₀；4)利用陀螺仪作为角速度测量仪，根据上述步骤3)中获得的起始状态的俯仰角θ₀，得到任意时刻的俯仰角θ₁；5)利用光电编码器测量检测车行驶过程中的任意相邻两时刻的行驶里程Δs；6)将所述步骤3)至步骤5)中三个传感器测量到的数据由单片机内的模数转换器进行采集、转换，并将数据输入到车载计算机中；7)由车载式计算机内的数据处理模块对三个传感器所测量到的数据进行处理，得到在大波浪路面上任意时刻所处位置点的坐标值，根据坐标累加原理绘出相应的路形曲线图，由车载式计算机实时窗口进行显示出相应路面形状。

所述步骤3)中，所述检测车起始状态的所述俯仰角θ₀为：θ₀＝arcsin(g_A/g)，式中，A为所述单轴加速度计的轴；g_A为重力加速度g在A轴上的分量。

所述步骤4)中，任意时刻的所述俯仰角θ₁为；

当(t₁-t₀)足够小时，则得到任意时刻的俯仰角θ₁为：θ₁＝θ₀+ω(t₁-t₀)，上式中，t₀为初始时刻；θ₀为起始状态的俯仰角；t₁为任意时刻；ω为陀螺转子的角速度。

所述步骤5)中，任意相邻两时刻的所述行驶里程Δs为：Δs＝e×N，式中，e为所述光电编码器的一个脉冲所对应的所述检测车步长，e＝L/n，L为所述检测车车轮的周长，n为所述检测车车轮转一圈时，所述光电编码器输出脉冲的个数；N为相邻两时刻累计的脉冲数。

所述步骤7)中，所述检测车在大波浪路面上任意时刻所处位置点的所述坐标值(x，h)为：式中，Δs为任意相邻两时刻的行驶里程；θ₁为任意时刻的俯仰角。

一种实现上述测量方法的车载式大波浪路形测量系统，其特征在于：它包括一个单轴加速度计、一个陀螺仪、一个光电编码器、一个单片机和一台加装到被检测车内的车载式计算机；所述单轴加速度计和陀螺仪安装在一起固定在被检测车的底盘靠近质心的位置；所述光电编码器固定在被检测车的右后车轮上；所述单片机和车载式计算机固定在被检测车内的工作坐椅附近；所述单轴加速度计、陀螺仪和光电编码器并联连接所述单片机的模数转换器端口，将实时采集的数据通过所述单片机的串口送入所述车载式计算机内，由所述车载式计算机内的数据处理模块对所述单片机输入的数据进行计算处理。

所述单轴加速度计采用ADI公司生产的型号为ADXL190的单轴加速度计。

所述陀螺仪采用ADI公司生产的型号为ADXRS610的陀螺仪。

所述光电编码器采用台湾松野ES40系列的型号为SY-ES40-RB600的光电编码器。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点1、本发明由于采用陀螺仪作为检测车的角速度测量仪，对任意时刻所对应的俯仰角进行测量，由单片机内的模数转换器采集该测量数据，并经过数据处理模块实时获取检测车的俯仰角，因此具有较高的精度和灵敏度，保证了测量结果的准确性。2、本发明由于采用单轴加速度计测量检测车启动前的俯仰角，即静止时的俯仰角，因此弥补了陀螺仪在陀螺转子静止或沿固定方向转动时无输出信号的缺点，保证了整个系统采集数据的完整性。3、本发明由于采用光电编码器测量检测车所行驶的里程，因此实现了测量方法简单、可靠的性能。本发明可以广泛应用于各种路形测量中。

附图说明

图1是本发明测量系统的结构示意图

图2是本发明的系统测量流程示意图

图3是本发明的单轴加速度计测量原理示意图

图4是本发明的测量系统工作原理示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的测量系统主要包括一个单轴加速度计1、一个陀螺仪2、一个光电编码器3、一个单片机4和一台加装到被检测车内的车载式计算机5。其中，单轴加速度计1和陀螺仪2均安装在被检测车的底盘靠近质心的位置；光电编码器3固定在被检测车的右后车轮上，保证与车轮同心并同速转动；单片机4和车载式计算机5固定在被检测车内，可供测量实验操作。单轴加速度计1、陀螺仪2和光电编码器3并联连接于单片机4内的A/D转换(模数转换)器端口，由单片机4实时采集测得的数据，并进行A/D转换，再将转换后的数据通过单片机4的串口送入车载式计算机5内，由车载式计算机5内的数据处理模块对单片机4输入的数据进行计算处理。

上述实施例中，单轴加速度计1采用ADI公司生产的型号为ADXL190的单轴加速度计。ADXL190是集单轴加速度传感器于一体的单片集成电路加速度计，典型噪声值为4mg/(Hz)1/2，检测加速度信号可以低于40mg。该单轴加速度计既可以测量动态加速度(如典型震动和冲击)，又可以测量静态加速度(如重力加速度和惯性)。

上述实施例中，陀螺仪2采用ADI公司生产的型号为ADXRS610的陀螺仪。ADXRS610陀螺仪采用集成微电子机械系统(iMEMS)工艺和BIMOS工艺的角速度传感器，内部同时集成有角速率传感器和信号处理电路，因此具有尺寸小、功耗低、抗冲击和振动性好的优点。

上述实施例中，光电编码器3采用台湾松野ES40系列的型号为SY-ES40-RB600的光电编码器。光电编码器3安装在检测车任一车轴上，其精度可达到车轮每旋转一周，编码器产生600个脉冲，不仅信号采集速度快，而且精度较高。

如图2所示，本发明的车载式大波浪路形测量方法，其步骤如下：

1)设置一包括单轴加速度计1、一个陀螺仪2、一个光电编码器3、一个单片机4和一台车载式计算机5的测量系统；

2)对单轴加速度计1、陀螺仪2和光电编码器3进行标定，将传感器得到实际测量值与额定值之间的比例参数输入到车载式计算机5内；

3)如图3所示，利用单轴加速度计1测量检测车起始状态(例如，初始时刻t₀)的俯仰角θ₀为：

θ₀＝arcsin(g_A/g)，                (1)

式中，A为单轴加速度计1的轴，在安装单轴加速度计时，要保证A轴与检测车行驶的方向一致；g_A为重力加速度g在A轴上的分量；

4)利用陀螺仪2作为角速度测量仪，根据上述步骤3)中获得的起始状态的俯仰角θ₀，可以得到任意时刻的俯仰角θ₁为：

${\mathrm{\θ}}_1={\mathrm{\θ}}_0+{\∫}_{t_0}^{t_1}\mathrm{\ωdt}---\left(2\right)$

当(t₁-t₀)足够小时，则可以得到任意时刻的俯仰角θ₁为：

θ₁＝θ₀+ω(t₁-t₀)，               (3)

公式(2)和公式(3)中，t₀为初始时刻；θ₀为起始状态的俯仰角；t₁为任意时刻；ω为陀螺转子的角速度；

5)利用光电编码器3测量检测车行驶过程中的任意相邻两时刻的行驶里程Δs为：

Δs＝e×N，                        (4)

式中，e为光电编码器的一个脉冲所对应的检测车步长，e＝L/n，L为检测车车轮的周长，n为检测车车轮转一圈时，光电编码器输出脉冲的个数；N为相邻两时刻累计的脉冲数；

6)将步骤3)至步骤5)中三个传感器测量到的数据由单片机4内的A/D转换器进行采集并转换，并将数据输入到车载计算机5中；

7)由车载式计算机5内的数据处理模块对输入的数据进行处理，将三个传感器所测量到的数据进行相互处理，可以得到在大波浪路面上任意时刻所处位置点的坐标值(x，h)，并由车载计算机5内的数据处理模块将实时获得的坐标值根据坐标累加原理绘出相应的路形曲线图(如图4所示，图中x为横坐标，h为纵坐标，θ为俯仰角，s为被检测车行驶里程)，由车载式计算机5实时窗口进行显示出相应路面形状；其中坐标值(x，h)为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\mathrm{\Δs}\×\cos {\mathrm{\θ}}_1\\ h=\mathrm{\Δs}\×\sin {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right.,---\left(5\right)$

式中，Δs为任意相邻两时刻的行驶里程；θ₁为任意时刻的俯仰角。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种车载式大波浪路形测量方法，其包括以下步骤：

1)设置一包括单轴加速度计、陀螺仪、光电编码器、单片机和车载式计算机的测量系统；

2)对单轴加速度计、陀螺仪和光电编码器进行标定，将得到传感器与实际测量值之间的比例参数输入到车载式计算机内；

3)利用单轴加速度计测量检测车起始状态的俯仰角θ₀；

4)利用陀螺仪作为角速度测量仪，根据上述步骤3)中获得的起始状态的俯仰角θ₀，得到任意时刻的俯仰角θ₁；

5)利用光电编码器测量检测车行驶过程中的任意相邻两时刻的行驶里程Δs；

6)将所述步骤3)至步骤5)中三个传感器测量到的数据由单片机内的模数转换器进行采集、转换，并将数据输入到车载计算机中；

7)由车载式计算机内的数据处理模块对三个传感器所测量到的数据进行处理，得到在大波浪路面上任意时刻所处位置点的坐标值，根据坐标累加原理绘出相应的路形曲线图，由车载式计算机实时窗口进行显示出相应路面形状。

2.如权利要求1所述的一种车载式大波浪路形测量方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述检测车起始状态的所述俯仰角θ₀为：

θ₀＝arcsin(g_A/g)，

式中，A为所述单轴加速度计的轴；g_A为重力加速度g在A轴上的分量。

3.如权利要求1所述的一种车载式大波浪路形测量方法，其特征在于：所述步骤4)中，任意时刻的所述俯仰角θ₁为；

${\mathrm{\θ}}_1={\mathrm{\θ}}_0+{\∫}_{t_0}^{t_1}\mathrm{\ωdt},$

当(t₁-t₀)足够小时，则得到任意时刻的俯仰角θ₁为：

θ₁＝θ₀+ω(t₁-t₀)，

上式中，t₀为初始时刻；θ₀为起始状态的俯仰角；t₁为任意时刻；ω为陀螺转子的角速度。

4.如权利要求1所述的一种车载式大波浪路形测量方法，其特征在于：所述步骤5)中，任意相邻两时刻的所述行驶里程Δs为：

Δs＝e×N，

式中，e为所述光电编码器的一个脉冲所对应的所述检测车步长，e＝L/n，L为所述检测车车轮的周长，n为所述检测车车轮转一圈时，所述光电编码器输出脉冲的个数；N为相邻两时刻累计的脉冲数。

5.如权利要求1所述的一种车载式大波浪路形测量方法，其特征在于：所述步骤7)中，所述检测车在大波浪路面上任意时刻所处位置点的所述坐标值(x，h)为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\mathrm{\Δs}\×\cos {\mathrm{\θ}}_1\\ h=\mathrm{\Δs}\×\sin {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right.,$

式中，Δs为任意相邻两时刻的行驶里程；θ₁为任意时刻的俯仰角。

6.一种实现如权利要求1～5任意一项所述测量方法的车载式大波浪路形测量系统，其特征在于：它包括一个单轴加速度计、一个陀螺仪、一个光电编码器、一个单片机和一台加装到被检测车内的车载式计算机；所述单轴加速度计和陀螺仪安装在一起固定在被检测车的底盘靠近质心的位置；所述光电编码器固定在被检测车的右后车轮上；所述单片机和车载式计算机固定在被检测车内的工作坐椅附近；所述单轴加速度计、陀螺仪和光电编码器并联连接所述单片机的模数转换器端口，将实时采集的数据通过所述单片机的串口送入所述车载式计算机内，由所述车载式计算机内的数据处理模块对所述单片机输入的数据进行计算处理。

7.如权利要求6所述测量方法的车载式大波浪路形测量系统，其特征在于：所述单轴加速度计采用ADI公司生产的型号为ADXL190的单轴加速度计。

8.如权利要求6所述测量方法的车载式大波浪路形测量系统，其特征在于：所述陀螺仪采用ADI公司生产的型号为ADXRS610的陀螺仪。

9.如权利要求6所述测量方法的车载式大波浪路形测量系统，其特征在于：所述光电编码器采用台湾松野ES40系列的型号为SY-ES40-RB600的光电编码器。

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