CN104792323A - 动态水平仪及姿态角计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态水平仪及姿态角计算方法，涉及惯性测量技术领域，本发明采用两个加速度计和一个陀螺仪作为动态水平仪的测量元件，其中两个加速度计的敏感轴相互正交、且均处于与待测转台平行的平面上，分别检测待测转台旋转平面两个正交方向的加速度信息；所述陀螺仪的敏感轴设于与待测转台垂直的方向，检测待测转台沿旋转轴进行旋转的角速度，这种测量元件的数量选择和安装布局方式最大限度的减少了测量元件的使用量，满足了动态水平仪的使用环境要求。

Description

动态水平仪及姿态角计算方法

技术领域

本发明涉及惯性测量技术领域，特别涉及一种动态水平仪及姿态角计算方法。

背景技术

水平仪作为现代工业不可缺少的检测工具，在土木工程、航空航海、工业控制等领域有着广泛应用。水平仪从过去简单的气泡水平仪发展到了现在的电子水平仪，测量精度和便捷性都有很大提高。气泡水平仪误差较大，对于小角度精确测量更是无能为力。电子水平仪作为传统水泡水平仪的替代品，更多的应用在道路工程，机械测量，建筑工程，工业平台，石油勘测，军工，船舶，以及其他需要重力参考系下的倾角或者水平的情况。

目前市场上应用的电子水平仪按原理区分主要有电感式和电容式等两种。电感式原理：当水平仪的基座因待测工件倾斜而倾斜时，其内部摆锤因移动所造成感应线圈的电压变化。电容式水平仪其测量原理为一圆形摆锤自由悬挂在细线上，摆锤受地心重力所影响，且悬浮于无摩擦状态。摆锤的两边均设有电极且间隙相同时电容量是相等，若水平仪受待测工件所影响而造成两间隙不同距离改变，从而产生电容不同，形成角度的差异。目前的电子水平仪，测量精度能够做到非常高的精度，但受工作原理限制，其普遍受到角度测量范围限制和测量环境限制，例如倾斜角度不超过几度，否则测量精度相应下降明显，并且要求在静态条件下测量，若在非静态条件下，则只能利用差分水平仪测量相对水平。在所测对象倾斜角度较大，或者对象存在运动等条件下，则上述传统的电子水平仪就无能为力了。

随着惯性技术的发展，加速度计技术及其制造工艺逐步成熟，应 用也越来越广泛，不仅可以应用于传统的惯性导航领域，也应用于水平仪和测斜仪领域。相比于上面传统的电子水平仪，利用加速度计在全姿态范围内均能够敏感准确加速度信息的特点，可以突破传统电子水平仪小角度测量的限制，理论上实现任意角度的测量。但目前实际的情况是，加速度计应用于电子水平仪产品还非常少，并且只应用于静态测量。其原因在于这些产品中未能解决载体运动带来的干扰加速度影响，从而未能实现动态水平仪功能。

以车载高精度雷达系统应用为例，雷达天线安装在具有天向旋转轴的基座上，雷达在工作时基座绕天向轴连续旋转，由于载车所处位置不水平及基座安装误差等因素影响，旋转轴并不能严格指天，旋转基准面存在一定倾斜角，且定义在旋转基准面上的俯仰和滚动两个水平角度会周期性变化，利用水平仪进行测量时，由于水平跟随基座一起旋转，水平仪将敏感到向心加速度，该加速度影响水平姿态的测量，从而导致传统的电子水平仪无法测量这些动态角度。

发明内容

为鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种动态水平仪、以及一种姿态角计算方法。

依据本发明的一个方面，提供了一种动态水平仪，所述动态水平仪包括：两个加速度计和陀螺仪，所述两个加速度计的敏感轴相互正交、且均处于与待测转台平行的平面上，所述陀螺仪的敏感轴设于与待测转台垂直的方向；

所述两个加速度计，分别用于检测待测转台在该加速度计的敏感轴上的加速度；

所述陀螺仪，用于检测待测转台沿所述待测转台的旋转轴进行旋转的角速度。

其中，所述动态水平仪还包括：信息处理电路，所述两个加速度 计及陀螺仪均与所述信息处理电路相连；

所述信息处理电路，用于根据所述两个加速度计所检测的加速度及陀螺仪所检测的角速度计算所述待测转台的水平姿态角。

其中，所述动态水平仪还包括：基板，所述两个加速度计、陀螺仪和信息处理电路均设于所述基板的上表面。

依据本发明的另一个方面，提供了一种基于所述的动态水平仪的姿态角计算方法，所述方法包括：

获取由动态水平仪中的两个加速度计所检测的加速度，并获取由所述动态水平仪中的陀螺仪所检测的角速度，所述动态水平仪安装于待测转台上、且与所述待测转台的旋转轴呈预设距离处；

根据所述两个加速度计所检测的加速度及陀螺仪所检测的角速度计算所述待测转台的水平姿态角。

其中，所述根据所述两个加速度计所检测的加速度及陀螺仪所检测的角速度计算所述待测转台的水平姿态角，进一步包括：

根据所述陀螺仪所检测的角速度积分确定所述动态水平仪所处的第一位置，并确定与所述第一位置沿所述旋转轴对称的第二位置；

获取在第一位置由所述两个加速度计所检测到的第一加速度，并获取在第二位置由所述两个加速度计所检测到的第二加速度；

根据所述第一加速度和第二加速度计算所述待测转台当前的水平姿态角。

其中，第一位置为所述动态水平仪沿所述旋转轴进行旋转的角度。

其中，根据所述陀螺仪所检测的角速度通过下式确定所述动态水平仪沿所述旋转轴进行旋转的角度，

$\mathrm{\α}={\∫}_0^t{\mathrm{\ω}}_z\mathrm{dt}$

其中，α为所述动态水平仪沿所述旋转轴进行旋转的角度，ω_z为所述陀螺仪所检测的角速度，t为所述动态水平仪沿所述旋转轴进行 旋转的时间。

其中，根据所述第一加速度和第二加速度通过下式计算所述待测转台的水平姿态角，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\θ}\left(\mathrm{\α}\right)={\sin }^{-1}\left(\frac{f_x\left(\mathrm{\α}\right)-f_x\left({\mathrm{\α}}_{180}\right)}{2g}\right)\\ \mathrm{\γ}\left(\mathrm{\α}\right)={\sin }^{-1}\left(\frac{f_y\left(\mathrm{\α}\right)-f_y\left({\mathrm{\α}}_{180}\right)}{2g}\right)\end{array}\right.$

其中，θ(α)为第一位置的俯仰角，γ(α)为第一位置的滚动角，g为重力加速度，f_x(α)和f_y(α)分别为所述两个加速度计所检测到的第一加速度，f_x(α₁₈₀)和f_y(α₁₈₀)分别为所述两个加速度计所检测到的第二加速度。

本发明采用两个加速度计和一个陀螺仪作为动态水平仪的测量元件，其中两个加速度计的敏感轴相互正交、且均处于与待测转台平行的平面上，分别检测待测转台旋转平面两个正交方向的加速度信息；所述陀螺仪的敏感轴设于与待测转台垂直的方向，检测待测转台沿旋转轴进行旋转的角速度，这种测量元件的数量选择和安装布局方式最大限度的减少了测量元件的使用量，满足了动态水平仪的使用环境要求。

附图说明

图1是本发明一种实施方式的动态水平仪的结构示意图；

图2是本发明一种实施方式的姿态角计算方法的流程图；

图3是本发明一种实施方式的动态水平仪安装于待测转台上的俯视图；

图4是本发明一种实施方式的动态水平仪安装于待测转台上的侧视图；

图5是本发明一种实施例中计算得到的两个水平姿态角的曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明一种实施方式的动态水平仪的结构示意图；参照图1，所述动态水平仪包括：两个加速度计(即图中的101和102)和陀螺仪103，所述两个加速度计的敏感轴相互正交(即图中的“X”轴和“Y”轴)、且均处于与待测转台平行的平面上，所述陀螺仪103的敏感轴设于与待测转台垂直的方向；

所述两个加速度计，分别用于检测待测转台在该加速度计的敏感轴上的加速度；

所述陀螺仪103，用于检测待测转台沿所述待测转台的旋转轴进行旋转的角速度。

本实施方式采用两个加速度计和一个陀螺仪作为动态水平仪的测量元件，其中两个加速度计的敏感轴相互正交、且均处于与待测转台平行的平面上，分别检测待测转台旋转平面两个正交方向的加速度信息；所述陀螺仪的敏感轴设于与待测转台垂直的方向，检测待测转台沿旋转轴进行旋转的角速度，这种测量元件的数量选择和安装布局方式最大限度的减少了测量元件的使用量，满足了动态水平仪的使用环境要求。

为便于计算所述待测转台的水平姿态角，可选地，所述动态水平仪还包括：信息处理电路104，所述两个加速度计及陀螺仪103均与所述信息处理电路104相连；

所述信息处理电路104，用于根据所述两个加速度计所检测的加速度及陀螺仪所检测的角速度计算所述待测转台的水平姿态角。

为便于安装所述动态水平仪，可选地，所述动态水平仪还包括：基板105，所述两个加速度计、陀螺仪103和信息处理电路104均设于所述基板105的上表面。

本发明还公开了一种基于所述的动态水平仪的姿态角计算方法， 参照图2，所述方法包括：

S201：获取由动态水平仪中的两个加速度计所检测的加速度，并获取由所述动态水平仪中的陀螺仪所检测的角速度，所述动态水平仪安装于待测转台上、且与所述待测转台的旋转轴呈预设距离(该距离可根据需要进行调整，本实施方式对此不加以限制)处，参照图3～4，所述待测转台的旋转轴存在倾角β；

需要说明的是，通常是在待测转台开始旋转，并转速平稳后，再对所述动态水平仪进行上电。

S202：根据所述两个加速度计所检测的加速度及陀螺仪所检测的角速度计算所述待测转台的水平姿态角。

为便于计算所述水平姿态角，并实现了一个水平仪即可克服水平仪的安装误差、加速度计零偏差以及待测转台旋转产生的向心加速度影响，可选地，步骤S202进一步包括：

S2021：根据所述陀螺仪所检测的角速度积分确定所述动态水平仪当前所处的当前位置(将该位置定义为第一位置，该位置随转台的转动而改变)，并确定与所述第一位置沿所述旋转轴对称的对称位置(将该位置定义为第二位置，该位置为最近一次已转过的对称位置)；

S2022：获取在第一位置由所述两个加速度计所检测到的第一加速度，并获取在第二位置由所述两个加速度计所检测到的第二加速度；

S2023：根据所述第一加速度和第二加速度计算所述待测转台当前的水平姿态角。

可选地，第一位置为所述动态水平仪沿所述旋转轴进行旋转的角度。

为便于确定所述第一位置，可选地，根据所述陀螺仪所检测的角速度通过下式确定所述动态水平仪沿所述旋转轴进行旋转的角度，

$\mathrm{\α}={\∫}_0^t{\mathrm{\ω}}_z\mathrm{dt}$

其中，α为所述动态水平仪沿所述旋转轴进行旋转的角度，ω_z为所述陀螺仪所检测的角速度，t为所述动态水平仪沿所述旋转轴进行旋转的时间。

可选地，根据所述第一加速度和第二加速度通过下式计算所述待测转台的水平姿态角，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\θ}\left(\mathrm{\α}\right)={\sin }^{-1}\left(\frac{f_x\left(\mathrm{\α}\right)-f_x\left({\mathrm{\α}}_{180}\right)}{2g}\right)\\ \mathrm{\γ}\left(\mathrm{\α}\right)={\sin }^{-1}\left(\frac{f_y\left(\mathrm{\α}\right)-f_y\left({\mathrm{\α}}_{180}\right)}{2g}\right)\end{array}\right.$

其中，θ(α)为第一位置的俯仰角，γ(α)为第一位置的滚动角，g为重力加速度，α₁₈₀＝α-180°，f_x(α)和f_y(α)分别为所述两个加速度计所检测到的第一加速度，f_x(α₁₈₀)和f_y(α₁₈₀)分别为所述两个加速度计所检测到的第二加速度。

为验证该动态水平仪的使用效果，实施了以下实验：

采用两个微机械加速度计和一个微机械陀螺仪作为主要测量元件组成一个动态水平仪，其中加速度计的零偏稳定性为10^-4g(g代表重力加速度，g≈9.80147m/s²),陀螺仪的零偏为6°/h，两个微机械加速度计的敏感轴安装在水平位置X向和Y向，相互正交，微机械陀螺仪安装在垂直方向Y向。

第一步，将动态水平仪安装在双轴转台台面上，双轴转台外环轴控制台面倾斜，内环轴可控制台面绕台面法线连续旋转。

第二步，启动转台，使双轴转台外环轴控制台面倾斜2°，内环轴控制台面绕台面法线以60°/s的角速度连续旋转，转动平稳后启动水平仪，计算当前的旋转角度α，当α超过180°后，即利用X向和Y向的加速度计实时输出f_x(α)和f_y(α)，以及保存的之前一次与当前位置对称的位置，即α₁₈₀＝α-180°处的X和Y向加速度计输出的加速度f_x(α₁₈₀)和f_y(α₁₈₀),于是可按下式计算出当前α位置的两个水平姿态角，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\θ}\left(\mathrm{\α}\right)={\sin }^{-1}\left(\frac{f_x\left(\mathrm{\α}\right)-f_x\left({\mathrm{\α}}_{180}\right)}{2g}\right)\\ \mathrm{\γ}\left(\mathrm{\α}\right)={\sin }^{-1}\left(\frac{f_y\left(\mathrm{\α}\right)-f_y\left({\mathrm{\α}}_{180}\right)}{2g}\right)\end{array}\right.$

连续旋转210s，计算得到的两个水平姿态角曲线如图5所示。可以看出，在转台倾斜2°时，该动态水平仪测得的俯仰角和滚动角均呈现周期性波动，俯仰角的最大值和最小值分别为θ_max＝1.991°和θ_max＝-1.993°,所以俯仰角最大误差为滚动角的最大值和最小值分别为γ_max＝1.995°和γ_min＝-1.994°,所以滚动角最大误差为 所以姿态角测量精度优于30′(最大值)，验证该动态水平仪在旋转条件下测量的有效性。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种动态水平仪，其特征在于，所述动态水平仪包括：两个加速度计和陀螺仪，所述两个加速度计的敏感轴相互正交、且均处于与待测转台平行的平面上，所述陀螺仪的敏感轴设于与待测转台垂直的方向；

所述两个加速度计，分别用于检测待测转台在该加速度计的敏感轴上的加速度；

所述陀螺仪，用于检测待测转台沿所述待测转台的旋转轴进行旋转的角速度。

2.如权利要求1所述的动态水平仪，其特征在于，所述动态水平仪还包括：信息处理电路，所述两个加速度计及陀螺仪均与所述信息处理电路相连；

所述信息处理电路，用于根据所述两个加速度计所检测的加速度及陀螺仪所检测的角速度计算所述待测转台的水平姿态角。

3.如权利要求2所述的动态水平仪，其特征在于，所述动态水平仪还包括：基板，所述两个加速度计、陀螺仪和信息处理电路均设于所述基板的上表面。

4.一种基于权利要求1～3中任一项所述的动态水平仪的姿态角计算方法，其特征在于，所述方法包括：

获取由动态水平仪中的两个加速度计所检测的加速度，并获取由所述动态水平仪中的陀螺仪所检测的角速度，所述动态水平仪安装于待测转台上、且与所述待测转台的旋转轴呈预设距离处；

根据所述两个加速度计所检测的加速度及陀螺仪所检测的角速度计算所述待测转台的水平姿态角。

5.如权利要求4所述的姿态角计算方法，其特征在于，所述根据所述两个加速度计所检测的加速度及陀螺仪所检测的角速度计算所述待测转台的水平姿态角，进一步包括：

根据所述陀螺仪所检测的角速度积分确定所述动态水平仪当前所处的第一位置，并确定与所述第一位置沿所述旋转轴对称的第二位置；

获取在第一位置由所述两个加速度计所检测到的第一加速度，并获取在第二位置由所述两个加速度计所检测到的第二加速度；

根据所述第一加速度和第二加速度计算所述待测转台当前的水平姿态角。

6.如权利要求5所述的姿态角计算方法，其特征在于，第一位置为所述动态水平仪沿所述旋转轴进行旋转的角度。

7.如权利要求6所述的姿态角计算方法，其特征在于，根据所述陀螺仪所检测的角速度通过下式确定所述动态水平仪沿所述旋转轴进行旋转的角度，

$\mathrm{\α}={\∫}_0^t{\mathrm{\ω}}_z\mathrm{dt}$

其中，α为所述动态水平仪沿所述旋转轴进行旋转的角度，ω_z为所述陀螺仪所检测的角速度，t为所述动态水平仪沿所述旋转轴进行旋转的时间。

8.如权利要求7所述的姿态角计算方法，其特征在于，根据所述第一加速度和第二加速度通过下式计算所述待测转台的水平姿态角，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\θ}\left(\mathrm{\α}\right)={\sin }^{-1}\left(\frac{f_x\left(\mathrm{\α}\right)-f_x\left({\mathrm{\α}}_{180}\right)}{2g}\right)\\ \mathrm{\γ}\left(\mathrm{\α}\right)={\sin }^{-1}\left(\frac{f_y\left(\mathrm{\α}\right)-f_y\left({\mathrm{\α}}_{180}\right)}{2g}\right)\end{array}\right.$

其中，θ(α)为第一位置的俯仰角，γ(α)为第一位置的滚动角，g为重力加速度，f_x(α)和f_y(α)分别为所述两个加速度计所检测到的第一加速度，f_x(α₁₈₀)和f_y(α₁₈₀)分别为所述两个加速度计所检测到的第二加速度。