CN102455183A - 三轴姿态传感器 - Google Patents

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殷芹
代洪兵
张道勇
杨通兰
邓小群
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本发明公开了一种三轴姿态传感器，包括敏感元件、信号处理板和电源板，其特征在于：所述敏感元件为微机械陀螺仪和加速度计。本发明采用微机械陀螺仪和加速度计来测量载体的姿态角及角运动信息，利用了低精度微机械陀螺仪加速度效应的误差补偿技术，使本技术方案需要提供的电源仅为+5V，不需要后续再平衡回路，大大简化了产品的结构，另外，由于微机械陀螺仪价格是高精度机械陀螺仪、光陀螺仪的五分之一，因此实现了产品的低成本化。

Description

三轴姿态传感器
技术领域
本发明涉及一种姿态传感器，具体地说是一种采用微机械陀螺仪和加速度计的三轴姿态传感器。
背景技术
目前，载体姿态角及角运动信息主要采用的惯性测量方法是利用激光陀螺、框架陀螺仪及挠性陀螺仪等高精度的惯性器件进行北向定位，或使用卫星定位技术确定载体北向，再根据北向对陀螺仪及加速度计的输出进行矢量分析，解算出系统的运动信息，这些技术中存在的不足为需要使用高精度陀螺仪，同时需要采用复杂的供电电源体制，后续还需要再平衡回路，因此技术方案复杂；另外由于高精度陀螺仪的成本高，造成价格也很高，不利于实现低成本化。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种三轴姿态传感器，可有效地实现载体姿态角及角运动信息的测量。
本发明通过如下技术方案予以实现。
一种三轴姿态传感器，包括敏感元件、信号处理板和电源板，其特征在于：所述敏感元件为微机械陀螺仪和加速度计。
与现有技术相比，本发明达到的有益效果为本发明采用微机械陀螺仪和加速度计来测量载体的姿态角及角运动信息，利用了低精度微机械陀螺仪加速度效应的误差补偿技术，使本技术方案需要提供的电源仅为+5V，不需要后续再平衡回路，大大简化了产品的结构，另外，由于微机械陀螺仪价格是高精度机械陀螺仪、光陀螺仪的五分之一，因此实现了产品的低成本化。
附图说明
图1是本发明的结构图；
图2是本发明中敏感元件组合结构图；
图3是本发明的组成方框图；
图4是加速度计测量姿态角的工作原理图。
图中：1-微机械陀螺仪，2-加速度计，3-减振器，4-连接器，5-支架，6-电源板，7-信号处理板。
具体实施方式
以下通过实施例形式，对本发明的内容作进一步详细说明，但不应就此理解为本发明所述主题的范围仅限于以下的实施例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，凡根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种修改、替换和变更，均包括在本发明的范围内。
图1是本发明的结构图，本发明所述的三轴姿态传感器包括敏感元件、信号处理板和电源板，其特征在于：所述敏感元件为微机械陀螺仪和加速度计。三轴姿态传感器的壳体内一侧安装有电源板6和信号处理板7，壳体的底板上设置有支架5，微机械陀螺1与加速度计2敏感元件固定在支架5上，同时支架5上也连接有微机械陀螺1与加速度计2的输出连接器4，以便于产品维护。
图3和图4分别是本发明的组成方框图和加速度计测量姿态角的工作原理图，本发明利用加速度计测量载体姿态角的原理是：利用加速度计测量地球重力加速度在载体测量轴上的分量，经过解算获得载体的姿态角，当加速度计的敏感轴处于水平面时，地球重力加速度在加速度计的敏感轴上的分量为零，当加速度计的敏感轴与水平面之间存在一个角度时，加速度计便有输出，输出的大小与敏感轴与水平面之间角度呈一个正弦曲线关系，当加速度计的敏感轴铅垂于水平面时，加速度计便敏感的是一个地球重力加速度g。图2中加速度计的敏感量g1＝g·sinθ，则通过求反三角θ＝arcsin(g1/g)就可得到加速度计的敏感轴与水平面之间的角度的值。
一般而言，测量载体在运动状态时的角速率信息只需要陀螺仪即可，测量载体在运动状态时的仿真信息只需要加速度计即可，但是由于在实际工作时，产品的安装位置，并不在载体运动的回转中心上，而是与载体运动的回转中心有一定的距离r，这样造成的结果是：产品在运动的载体上的运动轨迹是以绕载体运动的回转中心为圆心、半径为r的一段圆弧ABC上往复运动。在此情况下，在运动时产品会受到离心力作用，从而产生离心加速度，这个离心加速度会和重力加速度耦合在一起，造成加速度计的测量值中包含了离心加速度，直接计算就存在误差，这个测量误差随着离心加速度的变化而变化，离心加速度a的大小与离心半径r和角速率ω有关，即a＝rω2。根据系统的工作环境，经过仿真计算产品安装在载体的不同位置所产生的测量误差。在载体摇摆幅度和周期一定的情况下，离心半径r越大，则由其引起的测试误差就越大，为此必须对其进行补偿，才能达到技术指标的要求，其补偿方法是采用陀螺仪测出产品绕载体回转中心的角速率信息，经过解算得到离心加速度的值，最后用此信息对加速度计的输出数据进行补偿，从而得到真实的载体相对地理坐标系的姿态角信息。

Claims (1)

1.一种三轴姿态传感器，包括敏感元件、信号处理板和电源板，其特征在于：所述敏感元件为微机械陀螺仪(1)和加速度计(2)。
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