CN103591925B - 基于三轴加速度传感器的移动平台旋转角度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三轴加速度传感器的移动平台旋转角度测量方法；固定周期Δt读取三轴加速度传感器的值数据；第一步：根据加速度值ax(k)和加速度值ay(k)，计算加速度值a(k)；第二步：根据x加速度值ax(k)、加速度值ay(k)以及加速度值a(k)，计算加速度的角度值θ(k)；第三步：根据角度值θ(k)以及三轴加速度传感器距离左驱动轮和右驱动轮的轴线的距离L计算三轴加速度传感器的旋转半径R；第四步：根据三轴加速度传感器的旋转半径R和加速度值a(k)计算三轴加速度传感器的旋转角速度ω(k)；第五步：根据三轴加速度传感器的旋转角速度ω(k)计算三轴加速度传感器的旋转角度β(k)。

Description

基于三轴加速度传感器的移动平台旋转角度测量方法

技术领域

本发明涉及传感器与测量领域，尤其是一种基于三轴加速度传感器的移动平台旋转角度测量方法。

背景技术

在描述移动平台位置的时候，需要三个参数进行描述，一个是x轴坐标，一个是y轴坐标，还有就是绕z轴的旋转角度。为了计算x轴坐标和y轴坐标，可安装三轴加速度传感器。加速度传感器测量x轴和y轴方向上的加速度，然后进行积分求得检测周期内x轴和y轴方向上的位移量，然后累计得到x轴坐标值和y轴坐标值。但是旋转角度的测量需要增加专业的角度传感器，这必然会增加系统成本以及系统的复杂度。因此，利用现有的三轴加速度传感器进行旋转角度测量，具有显著的实际应用意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种简单的基于三轴加速度传感器的移动平台旋转角度测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于三轴加速度传感器的移动平台旋转角度测量方法，包括移动平台，所述移动平台上设置有进行运动方向和速度驱动的左驱动轮和右驱动轮，对移动平台起到支撑作用的万向轮，以及用来采集加速度值的三轴加速度传感器；其特征是：每隔固定周期Δt，读取三轴加速度传感器采集的加速度值数据，所述加速度值数据包括移动平台在x轴方向上的加速度值ax(k)和移动平台在y轴方向上的加速度值ay(k)；再根据以上所述的加速度值ax(k)和加速度值ay(k)进行如下的计算：第一步：根据x轴方向上的加速度值ax(k)和y轴方向上的加速度值ay(k)，计算加速度值a(k)；第二步：根据x轴方向上的加速度值ax(k)、y轴方向上的加速度值ay(k)以及加速度值a(k)，计算加速度的角度值θ(k)；第三步：根据角度值θ(k)以及三轴加速度传感器距离左驱动轮和右驱动轮的轴线的距离L计算三轴加速度传感器的旋转半径R；第四步：根据三轴加速度传感器的旋转半径R和加速度值a(k)计算三轴加速度传感器的旋转角速度ω(k)；第五步：根据三轴加速度传感器的旋转角速度ω(k)计算三轴加速度传感器的旋转角度β(k)。

作为对本发明所述的基于三轴加速度传感器的移动平台旋转角度测量方法的改进：所述加速度值a(k)的计算遵循三角形法则数学关系，由三角形计算法则得出 $a\left(k\right)=\sqrt{{\mathrm{ax}}^2\left(k\right)+{\mathrm{ay}}^2\left(k\right)}.$

作为对本发明所述的基于三轴加速度传感器的移动平台旋转角度测量方法的进一步改进：所述加速度的角度值θ(k)的计算遵循三角形法则数学关系，由三角函数计算法则得出 $\tan \mathrm{\θ}\left(k\right)=\frac{\mathrm{ax}\left(k\right)}{\mathrm{ay}\left(k\right)},$ 再反解后得出 $\mathrm{\θ}\left(k\right)=\arctan \frac{\mathrm{ax}\left(k\right)}{\mathrm{ay}\left(k\right)}.$

作为对本发明所述的基于三轴加速度传感器的移动平台旋转角度测量方法的进一步改进：所述三轴加速度传感器的旋转半径R的计算通过如下步骤获得：根据对三轴加速度传感器以及左驱动轮和右驱动轮之间的轴线进行测量后获得距离L；再根据三轴加速度传感器的旋转半径R和距离L的三角余弦关系得出

作为对本发明所述的基于三轴加速度传感器的移动平台旋转角度测量方法的进一步改进：所述移动平台的旋转角速度ω(k)的计算通过如下步骤获得：根据向心加速度的公式得出a(k)＝R*ω(k)²，得到 $\mathrm{\ω}\left(k\right)=\sqrt{\frac{a\left(k\right)}{R}}=\sqrt{\frac{\cos \mathrm{\θ}\left(k\right)}{L}}\·\sqrt[4]{{\mathrm{ax}}^2\left(k\right)+{\mathrm{ay}}^2\left(k\right)}.$

作为对本发明所述的基于三轴加速度传感器的移动平台旋转角度测量方法的进一步改进：所述三轴加速度传感器的旋转角度β(k)为积累量，根据所述的固定周期Δt得出β(k)＝β(k-1)+ω(k)*Δt。

本发明的基于三轴加速度传感器的移动平台旋转角度测量方法中，直接采用现有的三轴加速度传感器进行旋转角度测量，在进行移动平台旋转角度测量的时候，只需要使用三轴加速度传感器就可以，无需再使用额外的角度传感器进行测量，在不增加硬件的基础上，极大的节省了测量设备的成本。

再一个，由于本发明中的基于三轴加速度传感器的移动平台旋转角度测量方法大量的采用了简单的数学方式进行测量，在不进行复杂计算的基础上，极大的提高了数据的准确性，而本发明中的方法所使用的算法中，仅仅采用三轴加速度传感器采集，极大的降低了多传感器采集数据中容易出现的误差。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明的移动平台5配置结构示意图；

图2是旋转角度β(k)的测量推导示意图。

具体实施方式

实施例1、图1～图2给出了一种基于三轴加速度传感器的移动平台旋转角度测量方法，包括移动平台5，移动平台5上设置有进行运动方向和速度驱动的左驱动轮1和右驱动轮2，对移动平台5起到支撑作用的万向轮3，以及用来采集加速度值的三轴加速度传感器4；具体的使用的时候，在移动平台5上设置专门用来计算的电子控制装置进行集中的控制，而电子控制装置分别与左驱动轮1、右驱动轮2和三轴加速度传感器4信号连接；通过电子控制装置对左驱动轮1和右驱动轮2进行行程控制，即可以对左驱动轮1和右驱动轮2的行动方向和左驱动轮1和右驱动轮2的加速度等进行控制；而通过电子控制装置还可以对三轴加速度传感器4获取的数据进行定时的读取，并对读取的数据进行相应的分析计算，得出移动平台5的旋转角度。以上所述的电子控制装置根据其性能，可以在市场上购买获得。

本发明的基于三轴加速度传感器的移动平台旋转角度测量方法主要如下：

1、每隔固定周期Δt，读取三轴加速度传感器4采集的加速度值数据；在本实施例中，通过在电子控制装置内设置定时读取的命令，而定时的固定周期为Δt；

2、如图1所示，通过电子控制装置控制左驱动轮1和右驱动轮2活动，最终得出移动平台5在x轴方向上的加速度值ax(k)和移动平台5在y轴方向上的加速度值ay(k)；

3、根据x轴方向上的加速度值ax(k)和y轴方向上的加速度值ay(k)，计算加速度值a(k)；加速度值a(k)的计算遵循三角形法则数学关系，由三角形计算法则（具体为勾股定理）得出 $a\left(k\right)=\sqrt{{\mathrm{ax}}^2\left(k\right)+{\mathrm{ay}}^2\left(k\right)}.$

4、根据x轴方向上的加速度值ax(k)、y轴方向上的加速度值ay(k)以及加速度值a(k)，计算加速度的角度值θ(k)；加速度的角度值θ(k)的计算遵循三角形法则数学关系，由三角函数计算法则得出 $\tan \mathrm{\θ}\left(k\right)=\frac{\mathrm{ax}\left(k\right)}{\mathrm{ay}\left(k\right)},$ 再反解后得出 $\mathrm{\θ}\left(k\right)=\arctan \frac{\mathrm{ax}\left(k\right)}{\mathrm{ay}\left(k\right)}.$

5、根据角度值θ(k)以及三轴加速度传感器4跟左驱动轮1和右驱动轮2的轴线的距离L计算三轴加速度传感器4的旋转半径R；加速度传感器4的旋转半径R的计算通过如下步骤获得：

根据对三轴加速度传感器4以及左驱动轮1和右驱动轮2之间的轴线进行测量后获得距离L，由于三轴加速度传感器4以及左驱动轮1和右驱动轮2均为固定在移动平台5上的设置，所以三轴加速度传感器4以及左驱动轮1和右驱动轮2之间的轴线进行测量后获得的距离L的值为恒定值（且为已知量）；再根据三轴加速度传感器4的旋转半径R和距离L的三角余弦关系得出

6、根据三轴加速度传感器4的旋转半径R和加速度值a(k)计算三轴加速度传感器4的旋转角速度ω(k)；根据向心加速度的公式得出a(k)＝R*ω(k)²，继而，根据以上步骤中计算所得到的数据进行计算，就可以得出 $\mathrm{\ω}\left(k\right)=\sqrt{\frac{a\left(k\right)}{R}}=\sqrt{\frac{\cos \mathrm{\θ}\left(k\right)}{L}}\·\sqrt[4]{{\mathrm{ax}}^2\left(k\right)+{\mathrm{ay}}^2\left(k\right)}.$

7、根据三轴加速度传感器4的旋转角速度ω(k)计算三轴加速度传感器4的旋转角度β(k)；由于旋转角度是一个积累量，而根据本发明中采用固定周期Δt，则可以进行如下的计算：β(k)＝β(k-1)+ω(k)*Δt。

8、由于三轴加速度传感器4设置在移动平台5上，所以最后得出的三轴加速度传感器4的旋转角度β(k)同样适用于移动平台5的旋转角度。

以上所述中，由于三轴加速度传感器4、左驱动轮1和右驱动轮2在移动平台5上均为刚性设置，所以三轴加速度传感器4跟左驱动轮1和右驱动轮2的轴线的距离L为定值，继而在计算出加速度的角度值θ(k)后，就可以根据三角形的定律，将L代入后计算R的值。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于三轴加速度传感器的移动平台旋转角度测量方法，包括移动平台(5)，所述移动平台(5)上设置有进行运动方向和速度驱动的左驱动轮(1)和右驱动轮(2)，对移动平台(5)起到支撑作用的万向轮(3)，以及用来采集加速度值的三轴加速度传感器(4)；其特征是：每隔固定周期Δt，读取三轴加速度传感器(4)采集的加速度值数据，所述加速度值数据包括移动平台(5)在x轴方向上的加速度值ax(k)和移动平台(5)在y轴方向上的加速度值ay(k)；

再根据以上所述的加速度值ax(k)和加速度值ay(k)进行如下的计算：

第一步：根据x轴方向上的加速度值ax(k)和y轴方向上的加速度值ay(k)，计算加速度值a(k)；

第二步：根据x轴方向上的加速度值ax(k)、y轴方向上的加速度值ay(k)以及加速度值a(k)，计算加速度的角度值θ(k)；

第三步：根据角度值θ(k)以及三轴加速度传感器(4)距离左驱动轮(1)和右驱动轮(2)的轴线的距离L计算三轴加速度传感器(4)的旋转半径R；

第四步：根据三轴加速度传感器(4)的旋转半径R和加速度值a(k)计算三轴加速度传感器(4)的旋转角速度ω(k)；

第五步：根据三轴加速度传感器(4)的旋转角速度ω(k)计算三轴加速度传感器(4)的旋转角度β(k)；

所述加速度值a(k)的计算遵循三角形法则数学关系，由三角形计算法则得出 $a\left(k\right)=\sqrt{{\mathrm{ax}}^2\left(k\right)+{\mathrm{ay}}^2\left(k\right)}.$

2.根据权利要求1所述的基于三轴加速度传感器的移动平台旋转角度测量方法，其特征是：所述加速度的角度值θ(k)的计算遵循三角形法则数学关系，由三角函数计算法则得出 $tan\mathrm{\θ}\left(k\right)=\frac{ax\left(k\right)}{ay\left(k\right)},$ 再反解后得出 $\mathrm{\θ}\left(k\right)=\arctan \frac{ax\left(k\right)}{ay\left(k\right)}.$

3.根据权利要求2所述的基于三轴加速度传感器的移动平台旋转角度测量方法，其特征是：所述三轴加速度传感器(4)的旋转半径R的计算通过如下步骤获得：

根据对三轴加速度传感器(4)以及左驱动轮(1)和右驱动轮(2)之间的轴线进行测量后获得距离L；

再根据三轴加速度传感器(4)的旋转半径R和距离L的三角余弦关系得出 $R=\frac{L}{cos\mathrm{\θ}\left(k\right)}.$

4.根据权利要求3所述的基于三轴加速度传感器的移动平台旋转角度测量方法，其特征是：所述移动平台(5)的旋转角速度ω(k)的计算通过如下步骤获得：根据向心加速度的公式得出a(k)＝R*ω(k)²，得到 $\mathrm{\ω}\left(k\right)=\sqrt{\frac{a\left(k\right)}{R}}=\sqrt{\frac{cos\mathrm{\θ}\left(k\right)}{L}}.\sqrt[4]{{\mathrm{ax}}^2\left(k\right)+{\mathrm{ay}}^2\left(k\right)}.$

5.根据权利要求4所述的基于三轴加速度传感器的移动平台旋转角度测量方法，其特征是：所述三轴加速度传感器(4)的旋转角度β(k)为积累量，根据所述的固定周期Δt得出β(k)＝β(k-1)+ω(k)*Δt。