CN101963502B - 一种多传感器协同的数字倾角测量系统的倾角测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多传感器协同的数字倾角测量系统及倾角测量方法，其特征是数字倾角测量系统的结构组成包括有：五个输出脉宽占空比信号的加速度计、信号调理电路、微处理器、用于实时显示倾角测量结果的输出显示模块以及电源模块；五个加速度计呈扇形展开布置；以信号调理电路对加速度计输出的脉宽占空比信号进行放大和滤波；以微处理器采集各加速度计输出的脉宽占空比信号，依据各加速度计与水平面间的夹角和各加速度计之间的几何约束关系获得被测平面与水平面间的夹角。本发明多传感器协同的数字倾角测量系统，其测量有效范围为0～360°，精度高，测量误差＜0.15°，在整个测量范围内稳定性好，且具有一定的动态测量功能。

Description

一种多传感器协同的数字倾角测量系统的倾角测量方法

技术领域

本发明涉及数字倾角测量系统及倾角测量方法。 

背景技术

倾角测量系统已在建筑、机械、道路、桥梁和地质勘探等领域得到了广泛应用，目前使用的倾角测量系统主要是采用如下倾角测量方法： 

水泡式测量方法，单摆式测量方法，水平布置或垂直布置MEMS加速度计的倾角测量方法。上述方法存在的问题包括： 

1、水泡式测量人为因素大，测量误差明显； 

2、单摆式测量必须等摆处于稳定位置时才能得出正确的结果，因此仅适用于静态测量； 

3、水平布置MEMS加速度计的倾角测量有效范围小(-60°，60°)，超过有效范围测量误差明显增大； 

4、垂直布置MEMS加速度计的倾角测量在被测平面处于某些特殊位置，如90°、270°，角度解算输出会发生跳变，从而影响倾角测量的准确性和稳定性。 

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种倾角测量范围大0～360°、精度高、稳定性好的多传感器协同的数字倾角测量系统及倾角测量方法。 

本发明解决技术问题采用如下技术方案： 

本发明多传感器协同的数字倾角测量系统的特点是： 

所述数字倾角测量系统的结构组成包括有：五个输出脉宽占空比信号的加速度计、信号调理电路、微处理器、用于实时显示倾角测量结果的输出显示模块以及电源模块；其中： 

所述五个加速度计分别为第一加速度计、第二加速度计、第三加速度计、第四加速度计和第五加速度计，五个加速度计呈扇形展开布置；其中，第三加速度计与被测平面间夹角为0°、第二加速度计和第四加速度计与被测平面间夹角分别为±30°、第一加速度计和第五加速度计与被测平面间夹角分别为±60°； 

所述信号调理电路，用于对所述加速度计输出的脉宽占空比信号进行放大和滤波；

所述微处理器，用于采集所述各加速度计输出的脉宽占空比信号，通过所述各加速度计输出的脉宽占空比信号分别获得各加速度计与水平面间的夹角，依据所述各加速度计与水平面间的夹角和各加速度计之间的几何约束关系计算获得被测平面与水平面间的夹角。 

本发明多传感器协同的数字倾角测量系统的测量方法是： 

定义： 

置信区间，是以水平面为基准的[-30°，30°]范围，加速度计在所述置信区间内测量的与水平面的夹角是可信的； 

置信传感器，是位于所述置信区间内的加速度计； 

惟一置信传感器，是与水平面的夹角最接近零度的加速度计；所述惟一置信传感器所处象限有两种可能，一种是处于第I或第IV象限中，另一种是处于第II或第III象限中；所述惟一置信传感器所处象限按以下方式判定： 

假设：第一加速度计、第二加速度计、第三加速度计、第四加速度计和第五加速度计与水平面的夹角依次为θ₁，θ₂，…，θ₅，其中第i加速度计(i∈[1，2，…，5])为惟一置信传感器， 

当i为1、2、3或4时，所述惟一置信传感器与水平面间的夹角为θ_i；第i+1个加速度计与水平面的夹角为θ_i+1，若θ_i＞θ_i+1，则所述惟一置信传感器处在第I或第IV象限中，反之则处在第II或第III象限中； 

当i为5时，所述惟一置信传感器与水平面的夹角为θ₅，第四加速度计与水平面之间的夹角为θ₄，若θ₅＜θ₄，则所述惟一置信传感器处在第I或第IV象限中，反之则处在第II或第III象限中。 

所述测量方法按如下步骤进行： 

假设：第i加速度计(i∈[1，2，…，5])为惟一置信传感器，惟一置信传感器与水平面的夹角为θ_i，惟一置信传感器所在象限为Q_i，根据各加速度计与被测平面的几何约束关系，按以下公式计算被测平面的倾角α： 

α∈[-90°，+90°]，倾角输出范围应为0～360°，修正公式为： 

修正后的α即为被测平面倾角。 

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：本发明多传感器协同的数字倾角测量系统，其测量有效范围为0～360°，精度高，测量误差＜0.15°，在整个测量范围内稳定性好，且具有一定的动态测量功能。 

附图说明

图1为本发明系统结构示意图。 

图2为本发明的多加速度计扇形展开的布置方法。 

图3为本发明所描述的多加速度计的两种典型姿态。 

图4为本发明所定义的惟一置信传感器所在象限判定流程图。 

图5为本发明在微处理器上实现的倾角测量算法流程图。 

图6为本发明在整个测量范围内动态倾角测量结果。 

具体实施方式

参见图1，本实施例中的多传感器协同的数字倾角测量系统包括：五个加速度计、信号调理电路、微处理器、输出显示模块、电源模块。其中， 

加速度计是加速度传感器，输出脉宽占空比信号； 

信号调理电路是对加速度计输出的信号进行放大和滤波，选用两片AD623和两个RC电路构成； 

微处理器采集加速度计输出的脉宽占空比信号，高电平时间T₁，周期T₂，则加速度计在轴向上的重力加速度为： 那么，加速度计在轴向上的倾角θ的计算公式为：θ＝arc sin(A/g)，进一步结合各加速度计之间的几何约束关系即可计算被测平面与水平面的夹角，即被测平面的倾角； 

输出显示模块通过液晶实时显示倾角测量结果； 

电源模块为系统其他模块提供电源，通常采用电池供电。 

参见图2，采用五个加速度计，呈扇形展开布置，五个加速度计分别为第一加速度计、第二加速度计、第三加速度计、第四加速度计和第五加速度计；其中，第三加速度计与被测平面间夹角为0°、第二加速度计和第四加速度计与被测平面间夹角分别为±30°、第一加速度计和第五加速度计与被测平面间夹角分别为±60°； 

基于这种布置方法，当被测平面处于任意姿态时，总存在1～3个加速度计与水平面的夹角在[-30°，30°]范围内，而在该范围内加速度计测量的与水平面的夹角是比较准确的，因此再结合各加速度计之间的几何约束关系，便推算出被测平面与水平面的夹角，即被测平面的倾角。 

定义1：置信区间是以水平面为基准的[-30°，30°]范围，加速度计在所述置信区间内测量的与水平面的夹角是可信的。 

定义2：置信传感器是位于所述置信区间内的加速度计。 

参见图2，在任意时刻，多传感器结构中至少存在一个置信传感器。 

参见图3(a)，第四加速度计4和第五加速度计5均为置信传感器；参见图3(b)，第三加速度计3和第四加速度计4为置信传感器。 

定义3：惟一置信传感器是与水平面夹角最接近零度的加速度计。 

参见图3(a)和(b)，惟一置信传感器分别是第四加速度计4和第三加速度计3。 

参见图3，惟一置信传感器所处象限有两种可能，一种是处于第I或第IV象限中，另一种是处于第II或第III象限中；惟一置信传感器所处象限按以下方式判定： 

参见图4，假设：第一加速度计、第二加速度计、第三加速度计、第四加速度计和第五加速度计与水平面的夹角依次为θ₁，θ₂，…，θ₅，其中第i加速度计(i∈[1，2，…，5])为惟一置信传感器， 

当i为1、2、3或4时，惟一置信传感器与水平面间的夹角为θ_i；第i+1个加速度计与水平面的夹角为θ_i+1，若θ_i＞θ_i+1，则惟一置信传感器处在第I或第IV象限中，反之则处在第II或第III象限中； 

当i为5时，惟一置信传感器与水平面的夹角为θ₅，第四加速度计与水平面之间的夹角为θ₄，若θ₅＜θ₄，则惟一置信传感器处在第I或第IV象限中，反之则处在第II或第III象限中。 

假设：第i加速度计(i∈[1，2，…，5])为惟一置信传感器，惟一置信传感器与水平面的夹角为θ_i，惟一置信传感器所在象限为Q_i，根据各加速度计与被测平面的几何约束关系，按以下公式计算被测平面的倾角α： 

α∈[-90°，+90°]，倾角输出范围应为0～360°，修正公式为： 

修正后的结果即是被测平面的倾角。该数字倾角测量系统可以在0～360°范围内保持良好的测量精度和稳定性，因为该系统输出的结果始终基于惟一置信传感器的测量数据，惟一置信传感器工作于置信区间，其测量数据是可信的。 

图5为本发明的倾角测量算法流程图。 

实验结果： 

将本发明的多传感器协同的数字倾角测量系统安置在三轴转台上，进行倾角测量实验。 先后调整转台俯仰角，使其处于8种姿态，分别记录倾角测量的中间数据和最终结果，如表1所示。其中，五个加速度计与水平面的夹角θ₁，θ₂，…，θ₅均为20个测量数据的均值。借助高精度光纤陀螺的测定结果对该数字倾角测量系统进行精度验证，可见该倾角测量系统的测量精度高，倾角误差绝对值的平均值0.11°＜0.15°，同时在整个测量范围内测量稳定性好。 

表1.测量中间数据及结果 

图6示出了本发明在整个测量范围内0～360°动态倾角测量结果。可见，在0～360°范围内本发明均保持了良好的测量精度和稳定性，这是因为该倾角测量系统输出的结果始终基于惟一置信传感器的测量数据，惟一置信传感器工作于置信区间，其测量数据是可信的。 

Claims (1)

1.一种多传感器协同的数字倾角测量系统的倾角测量方法，所述数字倾角测量系统的结构组成包括有：五个输出脉宽占空比信号的加速度计、信号调理电路、微处理器、用于实时显示倾角测量结果的输出显示模块以及电源模块；其中：

所述五个加速度计分别为第一加速度计、第二加速度计、第三加速度计、第四加速度计和第五加速度计，五个加速度计呈扇形展开布置；其中，第三加速度计与被测平面间夹角为0°、第二加速度计和第四加速度计与被测平面间夹角分别为±30°、第一加速度计和第五加速度计与被测平面间夹角分别为±60°；

所述信号调理电路，用于对所述加速度计输出的脉宽占空比信号进行放大和滤波；

所述微处理器，用于采集所述各加速度计输出的脉宽占空比信号，通过所述各加速度计输出的脉宽占空比信号分别获得各加速度计与水平面间的夹角，依据所述各加速度计与水平面间的夹角和各加速度计之间的几何约束关系计算获得被测平面与水平面间的夹角；

其特征是：

定义：

置信区间，是以水平面为基准的[-30°，30°]范围，加速度计在所述置信区间内测量的与水平面的夹角是可信的；

置信传感器，是位于所述置信区间内的加速度计；

惟一置信传感器，是与水平面的夹角最接近零度的加速度计；所述惟一置信传感器所处象限有两种可能，一种是处于第I或第IV象限中，另一种是处于第II或第III象限中；所述惟一置信传感器所处象限按以下方式判定：

假设：第一加速度计、第二加速度计、第三加速度计、第四加速度计和第五加速度计与水平面的夹角依次为θ₁，θ₂，…，θ₅，其中第i加速度计(i∈[1，2，…，5])为惟一置信传感器，

当i为1、2、3或4时，所述惟一置信传感器与水平面间的夹角为θ_i；第i+1个加速度计与水平面的夹角为θ_i+1，若θ_i＞θ_i+1，则所述惟一置信传感器处在第I或第IV象限中，反之则处在第II或第III象限中；

当i为5时，所述惟一置信传感器与水平面的夹角为θ₅，第四加速度计与水平面之间的夹角为θ₄，若θ₅＜θ₄，则所述惟一置信传感器处在第I或第IV象限中，反之则处在第II或第III象限中；

所述测量方法按如下步骤进行：

假设：第i加速度计(i∈[1，2，…，5])为惟一置信传感器，惟一置信传感器与水平面的夹角为θ_i，惟一置信传感器所在象限为Q_i，根据各加速度计与被测平面的几何约束关系，按以下公式计算被测平面的倾角α：

α∈[-90°，+90°]，倾角输出范围应为0～360°，修正公式为：

修正后的α即为被测平面倾角。

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