CN102620719A - 具备高精度、温度补偿的倾角传感器及其动态补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具备高精度、温度补偿的倾角传感器及其动态补偿方法。本发明的电源管理模块分别与感应模块、信号调理模块、A/D转换模块、数字处理和控制模块、温度测量模块、输出接口模块连接，感应模块的加速度传感器、双轴角速率传感器分别经信号调理模块、A/D转换模块输出到数字处理和控制模块，数字处理和控制模块通过输出接口模块输出；本发明首先得出2个轴向的倾角值然后用经过动态补偿的双轴倾角值，利用2各轴相互垂直的特点，根据工作模式判断，是合成面角值输出还是输出0-360度。本发明解决了现有的倾角传感器在颠簸、震动、摇摆的环境下无法进行准确测量的问题，具备了极高的温度稳定性、精度高、工业防护等级高。

Description

具备高精度、温度补偿的倾角传感器及其动态补偿方法

技术领域

本发明涉及倾角传感器，具体涉及一种具备高精度、温度补偿的倾角传感器及其动态补偿方法。

背景技术

目前市场上已有的倾角传感器主要是针对对可靠性和测量精度要求不高的场合，一般只能适用于静态和常温倾角测量场合，并且对安装精度要求很高，输出接口多是单一接口，比如数字量输出的大多都是RS232、RS422、RS485、CAN、PWM等形式，或者是模拟量输出0-5V，0.5-4.5V，0-10V，4-20mA,0-20mA等形式 。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种在水平安装状态下，可以实现2维面角度测量，测量范围可达到正负90°，正负80°范围内、静态、全温-40℃～+80℃ 精度优于0.05°，在垂直安装状态下，可以自动调整为360度测量模式，0-360度范围内静态全温-40℃～+80℃ 精度优于0.05°，实现全角度测量的具备高精度、温度补偿的倾角传感器及其动态补偿方法。

为了达到上述的技术问题，本发明采取的技术方案为：

一种具备高精度、温度补偿的倾角传感器，特殊之处在于：包括电源管理模块、感应模块、信号调理模块、A/D转换模块、数字处理和控制模块、温度测量模块、输出接口模块，感应模块包括双轴加速度传感器、双轴角速率传感器，电源管理模块分别与感应模块、信号调理模块、A/D转换模块、数字处理和控制模块、温度测量模块、输出接口模块连接，感应模块的加速度传感器、双轴角速率传感器分别经信号调理模块、A/D转换模块输出到数字处理和控制模块，数字处理和控制模块通过输出接口模块输出。

上述的电源管理模块包括电源保护及EMC处理单元、DC-DC降压转换单元、LDO稳压及滤波单元、线性稳压模块单元、高精度基准5V电压源单元，电源保护及EMC处理单元一路依次连接DC-DC降压转换单元、LDO稳压及滤波单元，另一路依次连接线性稳压模块单元、高精度基准5V电压源单元。

上述的信号调理模块包括4个通道的信号调理及低通滤波电路。

上述的数字处理和控制模块包括参数保存单元、数字信号处理器单元，参数保存单元与数字信号处理器单元连接。

上述的温度测量模块采用温度传感器。

上述的输出接口模块包括数字输出单元、模拟输出单元，数字输出单元、模拟输出单元分别与输出保护电路连接。

上述的感应模块的两个加速度传感器的测量轴敏感方向相互垂直，同时两个角速率传感器的测量轴向分别与两个加速度传感器的测量轴向平行。

上述的具备高精度、温度补偿的倾角传感器的动态补偿方法通过以下步骤实现：

（一）、通过双轴加速度传感器（13）分别测量出两个轴向的比力，通过双轴的角速率传感器分别测量出2个轴向的角速率值；

（二）、利用动态补偿原理，计算出倾角传感器的最终倾角值：

在倾角传感器处于运动状态时，基于控制原理的控制调平对准方法可得，速度                                                

通道的理论计算公式：

 

                      （1）                                   

式中的

和

分别由双轴加速度传感器（13）的X轴陀螺和Y轴加速度计测量得到，表示X轴角速率值，

表示Y轴比力值，假设

和

分别包含漂移误差

和零偏误差，即假设双轴角速率传感器（14）和双轴加速度传感器（13）的实际测量值分别为

和

，

 和 

也是含有误差的，假设

 和 的实际计算值分别为

和，并定义倾角误差

和速度误差

，这样式（1）变换为

                （2）              

将式（2）减去式（1），得速度误差的变化规律：

                       （3）               

利用速度误差信号

控制倾角误差衰减，其中

为调平控制律的输出，

和 

为控制参数，得复频域输入输出关系:

  

                 (4)         

式（4）中，

表示漂移误差，表示零偏误差，

得到

以后，代入式

即可得到真实的倾角值，

同理，再求出另外一个轴的倾角值；

（三）、根据X轴和Y轴的倾角值合成2维面角：

二维面角的计算方法： 

双轴加速度传感器的两个轴分别对应的X，Y轴正交设置，假设存在第三个轴Z，X、Y、Z三个轴满足右手定则，假设以倾角传感器的初始位置为参考坐标系，即 OXYZ坐标系，当传感器在空间发生姿态变化时，即最终姿态坐标为O’X’Y’Z’坐标系，其与初始坐标轴的夹角分别为θ、ψ、φ，其中，θ为X轴在平面 ZOX中由原+X转到+X’所转过的角度，ψ为Y轴在平面 ZOY中由原+Y转到+Y’所转过的角度，φ角就是双轴加速度传感器所在平面XOY与重力方向所对应的夹角；

通过对双轴加速度传感器X，Y轴的测量可知

θ=arcsin(Xout);

ψ= arcsin(Yout);

要使平面ZOX变化到Z’OX’，即把X轴沿平面ZOX逆时针旋转θ度，则φ’= θ

于是Z’ = cosφ’× 1g = cosθ× 1g

再将次状态在ZOY平面内旋转变化，即把Y轴沿ZOY平面顺时针旋转ψ度，即由OXYZ姿态到O’X’Y’Z’姿态，则φ’=ψ

所以Z’’= cosφ’× Z’ = cosψ×Z’ = cosθcosψ，

因此，Z’’与+Z轴所转过的角度φ= arcos（cosθcosψ），角度φ即是倾角传感器基准面和水平面的倾角值，其中θ和ψ是步骤（二）得出的X轴和Y轴的倾角值。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、解决了基于纯加速度原理的倾角传感器在颠簸、震动、摇摆的环境下无法进行准确测量的问题。

2、本发明加入了高精度温度传感器，结合本设计特有的温度自动补偿算法，使产品具备了极高的温度稳定性，在-40℃～+80℃  范围内，角度的零点温度漂移小于0.03度。

3、本发明的输出接口同时具备数字量输出和模拟量输出接口，两种输出接口分别有多种输出形式可选。

4、本发明具备两种工作模式，在水平安装时，利用2个相互垂直放置的加速度传感器的放置特点，实现了2维面角度测量。解决了普通倾角测量装置只能精确测量其投影夹角的弊病。普通倾角测量装置对安装精度要求高，否则无法高精度测量的问题，在垂直安装时，传感器可以进入全角度测量模式，利用双轴垂直的特点，进行4象限角度测量。测量范围拓展到0-360°。

5、本发明测量精度高，在全温-40℃～+80℃范围内，静态测量精度优于0.05°，动态测量，在5g以上的冲击、震动环境下，动态误差＜0.2°。

6、本发明的工业防护等级高，到达了IP67标准，满足GB/T 17626.4-2008（电快速瞬变脉冲群抗扰度试验）和GB/T 17626.5-2008（浪涌（冲击）抗扰度试验）标准。

附图说明

图1为本发明的电路原理图；

图2是倾角传感器在空间的的姿态示意图； 图3是X轴旋转θ角的倾角传感器姿态示意图； 图4是Y轴旋转ψ角的倾角传感器姿态示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。

参见图1，本发明包括电源管理模块1、感应模块2、信号调理模块3、A/D转换模块4、数字处理和控制模块5、温度测量模块6、输出接口模块7，

电源管理模块1包括电源保护及EMC处理单元8、DC-DC降压转换单元9、LDO稳压及滤波单元10、线性稳压模块单元11、高精度基准5V电压源单元12，电源保护及EMC处理单元8一路依次连接DC-DC降压转换单元9、LDO稳压及滤波单元10，另一路依次连接线性稳压模块单元11、高精度基准5V电压源单元12；信号调理模块3包括4个通道的信号调理及低通滤波电路15；数字处理和控制模块5包括参数保存单元16、数字信号处理器单元17，参数保存单元16与数字信号处理器单元17连接；温度测量模块6采用温度传感器；输出接口模块7包括数字输出单元18、模拟输出单元19，数字输出单元18、模拟输出单元19分别与输出保护电路20连接；感应模块2包括双轴加速度传感器13、双轴角速率传感器14；

电源管理模块1分别与感应模块2、信号调理模块3、A/D转换模块4、数字处理和控制模块5、温度测量模块6、输出接口模块7连接，

电源管理模块1的高精度基准5V电压源单元12分别与感应模块2的加速度传感器、双轴角速率传感器14连接，感应模块2的加速度传感器、双轴角速率传感器14分别经信号调理模块3的两个通道的信号调理及低通滤波电路15再经A/D转换模块4输出到数字处理和控制模块5的数字信号处理器单元17，温度传感器与数字信号处理器单元17连接，数字信号处理器单元17的输出分别通过输出接口模块7的数字输出单元18、模拟输出单元19，数字输出单元18、模拟输出单元19分别与输出保护电路20连接。

上述的感应模块2的两个加速度传感器的测量轴敏感方向相互垂直，同时两个角速率传感器的测量轴向分别与两个加速度传感器的测量轴向平行，角速率传感器对敏感轴向的动态信息进行测量并进行动态补偿，加速度传感器可准确测量敏感轴向的角度变化。

本发明的动态补偿方法通过以下步骤实现：

（一）、通过双轴加速度传感器（13）分别测量出两个轴向的比力，通过双轴的角速率传感器分别测量出2个轴向的角速率值；

（二）、利用动态补偿原理，计算出倾角传感器的最终倾角值：

在倾角传感器处于运动状态时，基于控制原理的控制调平对准方法可得，速度 通道的理论计算公式：

 

                      （1）                                   

式中的

和

分别由双轴加速度传感器（13）的X轴陀螺和Y轴加速度计测量得到，

表示X轴角速率值，

表示Y轴比力值，假设

和

分别包含漂移误差

和零偏误差

，即假设双轴角速率传感器（14）和双轴加速度传感器（13）的实际测量值分别为

和

， 和 

也是含有误差的，假设

 和 的实际计算值分别为

和

，并定义倾角误差和速度误差

，这样式（1）变换为

                （2）              

将式（2）减去式（1），得速度误差的变化规律：

                       （3）               

利用速度误差信号控制倾角误差

衰减，其中

为调平控制律的输出，

和 

为控制参数，得复频域输入输出关系:

  

                 (4)         

式（4）中，

表示漂移误差，

表示零偏误差，

得到

以后，代入式

即可得到真实的倾角值

，

同理，再求出另外一个轴的倾角值；

（三）、根据X轴和Y轴的倾角值合成2维面角。

二维面角的计算方法：

双轴加速度传感器13的两个轴分别对应的X，Y轴正交设置，假设存在第三个轴Z，X、Y、Z三个轴满足右手定则。

假设以倾角传感器的初始位置为参考坐标系，即 OXYZ坐标系，当传感器在空间发生姿态变化时，即最终姿态坐标为O’X’Y’Z’坐标系，如图2所示，其与初始坐标轴的夹角分别为θ、ψ、φ，其中，θ为X轴在平面 ZOX中由原+X转到+X’所转过的角度，ψ为Y轴在平面 ZOY中由原+Y转到+Y’所转过的角度，φ角就是双轴加速度传感器所在平面XOY与重力方向所对应的夹角

其中 θ为X轴在平面 ZOX中由原+X转到+X’所转过的角度。  

     ψ为Y轴在平面 ZOY中由原+Y转到+Y’所转过的角度。

     φ 角就是双轴加速度传感器所在平面XOY与重力方向所对应的夹角。

通过对双轴加速度传感器X，Y轴的测量可知

θ =  arcsin(Xout);

ψ =  arcsin(Yout);

要使平面XOY变化到X’OY’，即把X轴沿平面ZOX逆时针旋转θ度，如图3

则φ’= θ于是Z’ = cosφ’× 1g = cosθ× 1g

再将次状态在ZOY平面内旋转变化，即把Y轴沿ZOY平面顺时针旋转ψ度，即由OXYZ姿态到O’X’Y’Z’姿态，如图4所示

则φ’=ψ

所以Z’’= cosφ’× Z’ = cosψ×Z’ = cosθcosψ

所以Z’’与+Z轴所转过的角度φ = arcos（cosθcosψ），角度φ即是倾角传感器基准面和水平面的倾角值，其中θ和ψ是步骤（二）得出的X轴和Y轴的倾角值。

工作流程：

电源管理模块1分别给感应模块2、信号调理模块3、模数转换模块、数字信号处理及控制模块、温度测量模块6、输出接口模块7供电。所述的倾角传感器通过感应模块2和信号调理模块3的单向连接，信号调理模块3和模数转换模块的单向连接，模数转换模块和数字信号处理及控制模块的双向连接，数字信号处理及控制模块与输出接口模块7进行双相连接，数字信号处理及控制模块与温度测量模块6单向连接。

 本发明的工作原理为：

 本发明采用高精准电压基准芯片给加速度传感器和角速率传感器供电，保证了传感器的最佳电气性能和温度特性，把两个轴向垂直的加速度信号和两个轴向垂直的角速率（陀螺仪）信号（两个加速度传感器的敏感轴向和两个角速率（陀螺仪）传感器敏感方向严格一致）作为输入信号，分别经过信号调理模块3处理之后，送入 24位模数转换器，经过24位AD转换后，将数字量输入数字信号处理器（可以是MCU、DSP或ARM）进行数据信号处理，数字信号处理器先分别对加速度信号和角速率信号进行FIR低通滤波处理和卡尔曼滤波处理。同时，数字信号处理器通过对高精度数字温度传感器的温度测量值的读取，获得传感器的温度信息，为下一步进行温度补偿获得温度信息，数字信号处理器通过三角函数的原理对加速度信号进行解算，从而分别获得两个轴向倾角的数值，然后，根据传感器的安装方式进行工作模式判断，当传感器进行水平安装时，把两个轴向的倾角信息进行连续两次坐标投影，从而获得两个敏感轴所在平面的二维面角度值，从而解决了安装误差对测量精度的影响，当传感器进行垂直安装时，数字信号处理器对两个轴向的倾角分量进行四象限分析，从而获得0-360°的测量范围，为了达到最佳的温度特性和最佳的线性精度，利用三轴温控转台对加速度传感器的测量值进行四阶多项式线性拟合，零点温度补偿、刻度因数温度补偿和交叉灵敏度补偿，为了抵消动态加速度分量对测量精度的影响，利用角速率传感器分别对两个加速的传感器的动态误差进行动态补偿，参数保存模块对用户的设置参数、温度信息、校准信息进行保存，数字信号处理器把经过一系列算法处理后的最终角度信息通过输出接口，依据CANopen、MODbus、Profibus协议或者用户自定义的通讯协议进行角度输出，同时根据客户的选择，配合以相应的模拟量输出。

本发明使产品达到满足GB/T 17626.4-2008（电快速瞬变脉冲群抗扰度试验）和GB/T 17626.5-2008（浪涌（冲击）抗扰度试验）标准。对产品的输入输出接口都分别进行和保护处理和电磁兼容处理。确保了产品的安全性和可靠性，并且在产品的生产工艺中融入了IP67标准。

Claims (8)

1.一种具备高精度、温度补偿的倾角传感器，特征在于：包括电源管理模块（1）、感应模块（2）、信号调理模块（3）、A/D转换模块（4）、数字处理和控制模块（5）、温度测量模块（6）、输出接口模块（7），感应模块（2）包括双轴加速度传感器（13）、双轴角速率传感器（14），电源管理模块（1）分别与感应模块（2）、信号调理模块（3）、A/D转换模块（4）、数字处理和控制模块（5）、温度测量模块（6）、输出接口模块（7）连接，感应模块（2）的加速度传感器、双轴角速率传感器（14）分别经信号调理模块（3）、A/D转换模块（4）输出到数字处理和控制模块（5），数字处理和控制模块（5）通过输出接口模块（7）输出。

2.根据权利要求1所述的具备高精度、温度补偿的倾角传感器，特征在于：所述的电源管理模块（1）包括电源保护及EMC处理单元（8）、DC-DC降压转换单元（9）、LDO稳压及滤波单元（10）、线性稳压模块单元（11）、高精度基准5V电压源单元（12），电源保护及EMC处理单元（8）一路依次连接DC-DC降压转换单元（9）、LDO稳压及滤波单元（10），另一路依次连接线性稳压模块单元（11）、高精度基准5V电压源单元（12）。

3.根据权利要求1或2所述的具备高精度、温度补偿的倾角传感器，特征在于：所述的信号调理模块（3）包括4个通道的信号调理及低通滤波电路（15）。

4.根据权利要求3所述的具备高精度、温度补偿的倾角传感器，特征在于：所述的数字处理和控制模块（5）包括参数保存单元（16）、数字信号处理器单元（17），参数保存单元（16）与数字信号处理器单元（17）连接。

5.根据权利要求4所述的具备高精度、温度补偿的倾角传感器，特征在于：所述的温度测量模块（6）采用温度传感器。

6.根据权利要求5所述的具备高精度、温度补偿的倾角传感器，特征在于：所述的输出接口模块（7）包括数字输出单元（18）、模拟输出单元（19），数字输出单元（18）、模拟输出单元（19）分别与输出保护电路（20）连接。

7.根据权利要求6所述的具备高精度、温度补偿的倾角传感器，特征在于：所述的感应模块（2）的两个加速度传感器的测量轴敏感方向相互垂直，同时两个角速率传感器的测量轴向分别与两个加速度传感器的测量轴向平行。

8.根据权利要求1所述的具备高精度、温度补偿的倾角传感器的动态补偿方法，其特征在于：通过以下步骤实现：

（一）、通过双轴加速度传感器（13）分别测量出两个轴向的比力，通过双轴的角速率传感器分别测量出2个轴向的角速率值；

（二）、利用动态补偿原理，计算出倾角传感器的最终倾角值：

在倾角传感器处于运动状态时，基于控制原理的控制调平对准方法可得，速度                                                

通道的理论计算公式：

 

                      （1）                                   

式中的

和

分别由双轴加速度传感器（13）的X轴陀螺和Y轴加速度计测量得到，表示X轴角速率值，

表示Y轴比力值，假设

和

分别包含漂移误差

和零偏误差

，即假设双轴角速率传感器（14）和双轴加速度传感器（13）的实际测量值分别为

和

，

 和 也是含有误差的，假设 和 

的实际计算值分别为

和

，并定义倾角误差

和速度误差

，这样式（1）变换为

                （2）              

将式（2）减去式（1），得速度误差的变化规律：

                       （3）               

利用速度误差信号

控制倾角误差

衰减，其中

为调平控制律的输出，

和 

为控制参数，得复频域输入输出关系:

  

                 (4)         

式（4）中，表示漂移误差，

表示零偏误差，

得到

以后，代入式

即可得到真实的倾角值

，

同理，再求出另外一个轴的倾角值；

（三）、根据X轴和Y轴的倾角值合成2维面角：

二维面角的计算方法： 

双轴加速度传感器（13）的两个轴分别对应的X，Y轴正交设置，假设存在第三个轴Z，X、Y、Z三个轴满足右手定则，假设以倾角传感器的初始位置为参考坐标系，即 OXYZ坐标系，当传感器在空间发生姿态变化时，即最终姿态坐标为O’X’Y’Z’坐标系，其与初始坐标轴的夹角分别为θ、ψ、φ，其中，θ为X轴在平面 ZOX中由原+X转到+X’所转过的角度，ψ为Y轴在平面 ZOY中由原+Y转到+Y’所转过的角度，φ角就是双轴加速度传感器所在平面XOY与重力方向所对应的夹角；

通过对双轴加速度传感器X，Y轴的测量可知

θ=arcsin(Xout);

ψ= arcsin(Yout);

要使平面ZOX变化到Z’OX’，即把X轴沿平面ZOX逆时针旋转θ度，则φ’= θ

于是Z’ = cosφ’× 1g = cosθ× 1g

再将次状态在ZOY平面内旋转变化，即把Y轴沿ZOY平面顺时针旋转ψ度，即由OXYZ姿态到O’X’Y’Z’姿态，则φ’=ψ

所以Z’’= cosφ’× Z’ = cosψ×Z’ = cosθcosψ，

因此，Z’’与+Z轴所转过的角度φ= arcos（cosθcosψ），角度φ即是倾角传感器基准面和水平面的倾角值，其中θ和ψ是步骤（二）得出的X轴和Y轴的倾角值。

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