CN103399177A - 加速度传感器实现倾角测量应用中的灵敏轴参数多点方程式校正标定方法 - Google Patents

Abstract

一种加速度传感器实现倾角测量应用中的灵敏轴参数多点方程式校正标定方法。针对加速度传感器的倾角测量应用中，为高精度倾角测量，灵敏轴参数(零点，灵敏度)都需要标定，而目前一般选择在倾角极限点位置附近低灵敏度位置进行校正标定的方法，不但无法实现准确的倾角测量，反而会产生新的偏差，本发明提出多点标定和方程组计算方法来精密校正标定灵敏轴参数，从而得到精确的灵敏轴的零点和灵敏度值，在加速度计实现倾角测量中极大程度提高和保障了角度的精度，为各种精密领域包括航天、军工、高端装备和工业提供高精度的倾角传感。

Description

加速度传感器实现倾角测量应用中的灵敏轴参数多点方程式校正标定方法

技术领域

本专利是有关加速度传感器的标定方法，特别是其高精度倾角测量应用领域。 

背景技术

基于加速度传感器的倾角测量应用中，实现高精度倾角测量，灵敏轴参数(零点，灵敏度)都需要标定，目前一般选择在倾角极限点位置附近进行校正标定，即重力方向对齐位置和垂直位置。 

由图1可见，灵敏轴在指向重力加速度方向附近时(±90°附近)时，灵敏度接近于0，低灵敏度点的校正，必然会导致整个灵敏轴参数有很大标定偏差，造成倾角测量应用中较大的角度误差，无法实现准确的倾角测量。 

发明内容

本发明目的在于通过精密计算加速度传感器灵敏轴零点和灵敏度参数，实现大幅度地提高和保障加速度计在倾角应用的角度精度。 

本发明是加速度传感器在倾角测量应用中的灵敏轴多点方程式校正标定方法，可精确测量双轴加速度传感器各灵敏轴参数(零点，灵敏度)，包括标定点的角度选择和参数对应方程组计算产生。首先设置四个标定点和测量，分别列出两轴两组各三个方程式，然后通过方程组求取相应参数，最后可得到灵敏轴的零点和灵敏度参数。 

本发明可借由如下具体详细的具体实施和附图说明进一步阐述. 

附图说明

图1：角度与加速度输出之间的关系； 

图2：灵敏轴X在5°～10°计算示意图； 

图3：灵敏轴X在35°～40°计算示意图； 

图4：灵敏轴X在50°～55°计算示意图； 

图5：灵敏轴X在80°～85°计算示意图。 

具体实施方式

包括详细的标定过程，计算方程组，校正标定设备的描述。 

校正设备： 

在垂直平面内，X轴角度以顺时针为正方向，Y轴角度以逆时针为正方向，设置4个标定位置点： 

标定点1：X轴在5°～10°，Y轴在85°～80°； 

标定点2：X轴在35°～40°，Y轴在55°～50°； 

标定点3：X轴在50°～55°，Y轴在40°～35°； 

标定点4：X轴在80°～85°，Y轴在10°～5°。 

参数定义和说明： 

δ：X灵敏轴与水平位置的初始夹角，角度范围为5°～10° 

ψ：Y灵敏轴与水平位置的初始夹角，角度范围为5°～10° 

α：灵敏轴X轴和Y轴之间非正交夹角 

G：重力 

Xoffset：X轴灵敏度的零点值 

Xsen：X轴灵敏度的灵敏度 

Fx：X轴的力 

Xout：X轴加速度输出值 

Yoffset：Y轴灵敏度的零点值 

Ysen：Y轴灵敏度的灵敏度 

Fy：Y轴的力 

Yout：Y轴加速度输出值 

校正过程： 

标定点1： 

由图2可见： 

Fx1＝G×sin(δ)＝(Xout1-Xoffset)÷Xsen    (1) 

标定点2： 

由图3可见： 

Fx2＝G×sin(δ+30°)＝(Xout2-Xoffset)÷Xsen＝sin(δ)*cos(30°)+sin(30°)*cos(δ)    (2) 

Fy2＝G×sin(ψ+45°)＝(Yoffset-Yout2)÷Ysen    (c) 

标定点3： 

由图4可见： 

Fx3＝G×sin(δ+45°)＝(Xout3-Xoffset)÷Xsen＝sin(δ)*cos(45°)+sin(45°)*cos(δ)    (3) 

Fy3＝G×sin(ψ+30°)＝(Yoffset-Yout3)÷Ysen    (b) 

标定点4： 

由图5可见： 

Fy4＝G×sin(ψ)＝(Yoffset-Yout4)÷Ysen    (a) 

列方程组计算灵敏轴参数 

1.求Xoffset 

联列方程(1)，(2)，(3) 

sin(δ)＝(Xout1-Xoffset)÷Xsen    (1) 

sin(δ)*cos(30°)+sin(30°)*cos(δ)＝(Xout2-Xoffset)÷Xsen    (2) 

sin(δ)*cos(45°)+sin(45°)*cos(δ)＝(Xout3-Xoffset)÷Xsen    (3) 

即可得出 

Xoffset＝[Xout2*sin45°-Xout3*sin30°+Xout1*cos45°*sin30°-Xout1*cos30°*sin45°]÷[cos45°*sin30°-cos30°*sin45°+sin45°-sin30°]＝(Xout2*√2/2+Xout1*√2/4-Xout3/2-Xout1*√6/4)÷(√2/4+√2/2-√6/4-1/2) ＝[Xout2*0.7071-Xout3*0.5-Xout1*0.25882]÷(-0.0517) 

2.求δ角 

联列方程组 

sin(δ)*cos(30°)+sin(30°)*cos(δ)＝(Xout2-Xoffset)÷Xsen    (2) 

sin(δ)*cos(45°)+sin(45°)*cos(δ)＝(Xout3-Xoffset)÷Xsen    (3) 

同时将已经求得的Xoffset代入方程，即可得出 

δ＝atan{[a*sin45°-sin30°]÷[cos30°-a*cos45°]} 

其中a＝[Xout2-Xoffset]/[Xout3-Xoffset] 

3.求Xsen 

将Xoffset，δ，代入方程(1)，sin(δ)＝(Xout1-Xoffset)÷Xsen 

即可得出 

Xsen＝(Xout1-Xoffset)÷sin(δ) 

同理，联列方程组(a)；(b)；(c) 

sin(ψ)＝(Yoffset-Yout4)÷Ysen    (a) 

sin(ψ+30°)＝(Yoffset-Yout3)÷Ysen    (b) 

sin(ψ+45°)＝(Yoffset-Yout2)÷Ysen    (c) 

求出Yoffset；ψ；Ysen； 

Yoffset 

＝[Yout4*cos45°*sin30°-Yout4*cos30°*sin45°+Yout3*sin45°-Yout3*sin30°]÷[cos45°*sin30°-cos30°*sin45°+sin45°-sin30°]＝[(√2-√6)/4Yout4+√2/2Yout3-1/2Yout2]÷[√2/4-(√2*√3)/4+√2/2-1/2]＝[-0.25882*Yout4+0.7071*Yout3-0.5*Yout2]÷(-0.0517) 

ψ＝atan[(b*sin45°-sin30°)/(cos30°-b*cos45°)] 

b＝(Yoffset-Yout3)/Yoffset-Yout2) 

Ysen＝(Yoffset-Yout4)÷sin(ψ) 。 

Claims (3)

1.一种加速度传感器实现倾角测量应用中的灵敏轴参数校正标定方法，其特征包括多点位置标定，避开灵敏度低的角度位置。

2.权利要求1中的方法，灵敏轴多点位置的设定，其特征包括如下位置：

2.1灵敏轴在5°～10°；

2.2灵敏轴在35°～40°；

2.3灵敏轴在50°～55°；

2.4灵敏轴在80°～85°；

2.5由上述一个象限内的四个位置扩展到其他三个象限对应的位置。

3.权利要求2中多点位置对应的方程，其特征为包含如下方程组：

3.1sin(δ)＝(Xout1-Xoffset)÷Xsen；

3.2sin(δ)*cos(30°)+sin(30°)*cos(δ)＝(Xout2-Xoffset)÷Xsen；

3.3sin(δ)*cos(45°)+sin(45°)*cos(δ)＝(Xout3-Xoffset)÷Xsen；

3.4sin(ψ)＝(Yoffset-Yout4)÷Ysen；

3.5sin(ψ+30°)＝(Yoffset-Yout3)÷Ysen；

3.6sin(ψ+45°)＝(Yoffset-Yout2)÷Ysen。

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