CN108489459B - 一种姿态传感系统及倾角测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种姿态传感系统及倾角测量方法，包括，倾角传感器模块用于输出待测物体的初始倾角信号，包括四个倾角传感器且沿着测量轴向在同一平面内布置，两个与测量轴向同向布置，两个与测量轴向反向布置，处理单元用于对初始倾角信号进行处理,得到待测倾角的值，每个传感器还包括温漂处理单元，用于温漂处理。其中倾角测量方法包括获取四个双轴倾角传感器的输出值；根据预先设定的故障检测门限及输出值判断出有故障的倾角传感器，排除有故障的倾角传感器得到有效的倾角传感器，根据有效的倾角传感器的输出值计算待测角度，本发明提供了的倾角传感器冗余方式，同时通过温漂处理和故障检测，使得测量结果更加的精确、可靠。
Description
技术领域
本发明涉及倾角测量技术领域，具体涉及一种姿态传感系统及倾角测量方法。
背景技术
目前，倾角测量系统广泛应用于建筑、机械、道路、桥梁和地质勘探等需要进行倾角测量的工程领域，随着这类倾角测量系统应用范围的不断扩展，对测量系统也提出了较高的要求,即希望测量的精度较高，又希望测量的范围较大。目前应用的倾角测量系统主要有以下测量方法：传统的倾角测量方法根据其工作原理主要可以分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”式三种。它们的测量精度、测量范围各不相同，但都存在着体积较大、操作繁琐、人为误差较大、智能化水平低、测量精度差等缺点。
随着MEMS技术的不断发展，MEMS微传感器受到广泛的应用。目前常用的基于MEMS技术的倾角测量方法主要有基于单轴加速度计以及三轴加速度传感器，现有技术的冗余方案都是等效为三轴加速度计，而在绝大多数测量姿态的应用场景中，双轴加速度计已经满足要求，无需额外添加一个轴，从而降低了MEMS姿态传感微系统的硬件成本。同时，冗余模型误差是基于三轴加速度计进行计算的，当敏感轴改变成两轴时，三轴的冗余模型误差并不适用于两轴，所以要重新计算针对两轴加速度计的冗余模型误差，进而改变传感器冗余配置。另外现有技术中双轴倾角传感器的冗余方式的测量误差较大，针对双轴倾角传感器的故障检测和温漂补偿没有实际的方案。
发明内容
为了解决现有技术中针对双轴加速度传感器的冗余方式存在测量误差较大的技术问题，本发明提供一下技术方案予以解决：
一种姿态传感系统，包括：
倾角传感器模块，所述倾角传感器模块包括四个倾角传感器，所述四个倾角传感器沿着测量轴向在同一平面内布置，其中两个与测量轴向同向布置，两个与测量轴向反向布置，四个倾角传感器分别输出初始倾角信号；
处理单元,用于对所述初始倾角信号进行处理,得到待测倾角的值；所述处理单元的信号输入端与所述倾角传感器模块的信号输出端连接，用于根据四个倾角传感器的输出值与预先设定的故障检测门限值对比分析，判断并去除发生故障的倾角传感器，得到有效的倾角传感器，然后根据有效倾角传感器的输出计算待测倾角的值。
其中，所述倾角传感器为双轴倾角传感器。
其中，所述四个倾角传感器精度相同。
其中，所述的根据四个倾角传感器的输出值与设定的故障检测门限值对比分析，判断并去除发生故障的倾角传感器,具体包括:
读取与所述测量轴向同向的两个倾角传感器的输出分别为Y1、Y2,与所述测量轴向反向的两个倾角传感器的输出为Y3、Y4；
分别判断|Y1-Y2|、|Y1+Y3|、|Y1+Y4|、|Y2+Y3|、|Y2+Y4|、|Y3-Y4|是否小于预先设置的故障检测门限值A；
根据判断结果组合分析得出有故障的倾角传感器。
其中，所述根据有效倾角传感器的输出计算待测倾角的值，具体包括：
统计有效的倾角传感器的输出值；
所述待测倾角的值为与所述测量轴同向设置的有效的倾角传感器的输出之和减去与测量轴反向设置的有效的倾角传感器的输出之和后再除于有效的倾角传感器的总个数。
其中，所述的倾角传感器还包括温漂处理单元,用于根据温度-偏移量对照表确定当前环境温度下倾角传感器的偏移量,从倾角传感器的测量值中减去所述的偏移量得到倾角传感器的输出值。
其中，所述根据温度-偏移量对照表确定当前环境温度下倾角传感器的偏移量，具体包括：
根据当前环境温度在温度-偏移量对照表中查找出当前环境温度所在的温度区间，所述温度-偏移量对照表包括具有设定温度间隔的若干温度点以及与各温度点对应的偏移量，所述温度区间是指相邻两温度点之间的区间；
根据温度区间得到该温度区间的最大温度点和最小温度点；
通过公式
计算当前环境温度Tk对应的偏移量Yk，其中Ti＜Tk＜Tj，Yi为温度点Ti时对应的偏移量，Yj为温度点Tj时对应的偏移量，Ti和Tj分别为该温度区间的最小温度点和最大温度点。
一种基于所述系统的倾角测量方法，包括：
获取四个倾角传感器的输出值；
根据预先设置的故障检测门限及所述输出值判断出有故障的倾角传感器，排除有故障的倾角传感器得到有效的倾角传感器；
根据有效的倾角传感器的输出值计算待测角度。
其中，所述根据预先设置的故障检测门限及所述输出值判断出有故障的倾角传感器，排除有故障的倾角传感器得到有效的倾角传感器，具体包括：
读取与所述测量轴向同向的两个倾角传感器的输出分别为Y1、Y2,与所述测量轴向反向的两个倾角传感器的输出为Y3、Y4；
分别判断|Y1-Y2|、|Y1+Y3|、|Y1+Y4|、|Y2+Y3|、|Y2+Y4|、|Y3-Y4|是否小于故障检测门限A；
根据判断结果组合分析得出有故障的倾角传感器；
排除有故障的倾角传感器，得到有效的倾角传感器。
其中，所述根据有效的倾角传感器的输出值计算待测角度具体包括：
统计有效的倾角传感器的输出值；
所述待测角度为与所述测量轴同向设置的有效的倾角传感器的输出之和减去所有与测量轴反向设置的有效的倾角传感器的输出之和后再除于有效的倾角传感器的总个数。
本发明的姿态传感系统，其中传感器模块设计了独特的冗余方式，即沿着测量轴向设置四个同精度的倾角传感器，其中两个与测量轴同向，两个与测量轴反向，且同时对每个双轴倾角传感器内设置了进行了温漂处理模块，抑制温漂对测量精度的影响；在数据处理时，提供了故障检测模块，排除个别出现故障的双轴倾角传感器的测量数据，根据剩余的有效双轴倾角传感器计算待测倾角，使得最终测量结果更加精确、可信度高。
附图说明
图1为本发明姿态传感系统结构示意图；
图2为本发明四个倾角传感器布置示意图；
图3为本发明的倾角传感器结构示意图；
图中标号表示含义为：1-1号倾角触感器，2-2号倾角触感器,3-3号倾角触感器，4-4号倾角触感器。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本实施例提供一种姿态传感系统，如图1，包括：倾角传感器模块和处理单元。其中,如图2,倾角传感器模块包括四个倾角传感器，四个倾角传感器沿着测量轴向在同一平面内布置，其中两个与测量轴向同向布置，两个与测量轴向反向布置，四个倾角传感器分别输出初始倾角信号。为了方便数据记录，对四个传感器进行编号，与测量轴向相同的两个传感器编号为1号和2号，与测量轴向相反两个方向的传感器编号为3号和4号。
其中，处理单元,用于对所述初始倾角信号进行处理,得到待测倾角的值；所述处理单元的信号输入端与所述倾角传感器模块的信号输出端连接，用于根据四个倾角传感器的输出值与预先设定的故障检测门限值对比分析，判断并去除发生故障的倾角传感器，得到有效的倾角传感器，然后根据有效倾角传感器的输出计算待测倾角的值。
本实施例的倾角传感器为双轴倾角传感器，且四个倾角传感器的精度相同，倾角传感器模块输出的初始倾角信号包括四个双轴倾角传感器各自的输出值。
处理单元读取与测量轴向同向的两个倾角传感器(1号和2号)的输出分别为Y1、Y2,与测量轴向反向的两个倾角传感器(3号和4号)的输出为Y3、Y4；其中双轴倾角传感器的输出包括x轴和y轴输出，在故障检测时x轴和y轴输出分开考虑，即先检测四个传感器的x轴输出值，再检测四个传感器的y轴输出值，这样即使是某个传感器的x轴输出值发生故障也不影响y轴输出值。
分别对于四个传感器的x轴和y轴输出进行判断|Y1-Y2|、|Y1+Y3|、|Y1+Y4|、|Y2+Y3|、|Y2+Y4|、|Y3-Y4|是否小于预先设定的故障检测门限A，为了方便根据判断结果分析出发生故障的倾角传感器，记|Y1-Y2|、|Y1+Y3|、|Y1+Y4|、|Y2+Y3|、|Y2+Y4|、|Y3-Y4|小于A时为0，否则为1，通过分析得出下列表1中的结果。
表1
通过上述表格找到发生故障的倾角传感器，其余未发生故障的传感器即为有效的倾角传感器，通过上述方法可以分别判断出x轴发生故障的传感器和y轴发生故障的传感器，排除有故障的倾角传感器，得到有效的倾角传感器。
其中处理单元用于根据有效倾角传感器的输出计算待测倾角的值，具体为，分别统计有效的倾角传感器的x轴输出值和y轴的输出值，分别计算x轴角度和y轴角度，待测角度包括x轴角度和y轴角度，其中x轴角度或y轴角度为所有与测量轴同向设置的有效的倾角传感器的输出之和减去所有与测量轴反向设置的有效的倾角传感器的输出之和后再除于有效的倾角传感器的总个数。
其中，如图3为本实施例中采用的双轴倾角传感器结构示意图，包括电源模块、CPU、ADC模数转换器、双轴加速度计和RS485接口，其中电源模块提供5V供电，使用芯片为LM2594；CPU用于解析处理加速度计回传的信号，使用芯片为STM32F103C8T6；ADC模数转换器用于将加速度计模拟信号转换成数字信号，使用芯片是ADS1247；加速度计用于采集信号，使用芯片SCA103T；整个系统通过RS485接口输出，通信芯片为SP3485EN。
每个倾角传感器还包括温漂处理单元,温漂处理单元设置在倾角传感器的CPU中，用于根据温度-偏移量对照表确定当前环境温度下倾角传感器的偏移量,从倾角传感器的测量值中减去所述的偏移量得到倾角传感器的输出值。
其中温度-偏移量对照表通过以下方法获得：
对四个传感器进行编号，与测量轴向相同的两个传感器编号为1号和2号，与测量轴向相反两个方向的传感器编号为3号和4号，在标定温度为20℃时，在-40～80℃范围内以每隔10℃为一个温度点，测量每个温度点下倾角传感器的初始角度，其中1号传感器的x、y轴初始值分别为x1c、y1c，2号传感器的初始值分别为x2c、y2c，3号传感器的初始值分别为x3c、y3c，4号传感器的初始值分别为x4c、y4c，如表2所示；
表2
| 温度/初始值 | x<sub>1c</sub> | y<sub>1c</sub> | x<sub>2c</sub> | y<sub>2c</sub> | x<sub>3c</sub> | y<sub>3c</sub> | x<sub>4c</sub> | y<sub>4c</sub> |
| 80 | 0.1778 | -0.0456 | 0.0204 | -0.1303 | 0.0032 | -0.0491 | 0.1778 | -0.0456 |
| 70 | 0.1506 | -0.0531 | 0.0482 | -0.1014 | -0.0012 | -0.0309 | 0.1506 | -0.0531 |
| 60 | 0.1325 | -0.0562 | 0.0729 | -0.084 | 0.0007 | -0.022 | 0.1325 | -0.0562 |
| 50 | 0.1195 | -0.0551 | 0.0967 | -0.07 | 0.0045 | -0.016 | 0.1195 | -0.0551 |
| 40 | 0.1074 | -0.0549 | 0.1101 | -0.0595 | 0.0067 | -0.0106 | 0.1074 | -0.0549 |
| 30 | 0.098 | -0.0532 | 0.1235 | -0.0504 | 0.0118 | -0.0075 | 0.098 | -0.0532 |
| 20 | 0.0892 | -0.0512 | 0.1356 | -0.0412 | 0.0147 | -0.0048 | 0.0892 | -0.0512 |
| 10 | 0.084 | -0.0502 | 0.1462 | -0.0332 | 0.019 | -0.0041 | 0.084 | -0.0502 |
| 0 | 0.0793 | -0.051 | 0.1576 | -0.0267 | 0.0240 | -0.0040 | 0.0793 | -0.0510 |
| -10 | 0.0879 | -0.0451 | 0.1645 | -0.0213 | 0.0502 | -0.0198 | 0.0879 | -0.0451 |
| -20 | 0.085 | -0.055 | 0.1797 | -0.0086 | 0.0522 | -0.0166 | 0.085 | -0.055 |
| -30 | 0.0832 | -0.0568 | 0.1952 | -0.0006 | 0.0525 | -0.0132 | 0.0819 | -0.0576 |
| -40 | 0.0814 | -0.0586 | 0.2082 | -0.0099 | 0.0515 | -0.0078 | 0.0797 | -0.0566 |
根据每个温度点下倾角传感器的初始角度，计算每个温度点相对于标定温度(20℃)的偏移量，其中某个温度点的偏移量等于当前温度点的初始值减去标定温度，如表3，相对标定温度20℃时，1号传感器的x、y轴偏移量分别为x1、y1，2号传感器的偏移量分别为x2、y2，3号传感器的偏移量分别为x3、y3，4号传感器的偏移量分别为x4、y4,得到温度-偏移量对照表，如表3所示。
表3
| 温度/偏移量 | x<sub>1</sub> | y<sub>1</sub> | x<sub>2</sub> | y<sub>2</sub> | x<sub>3</sub> | y<sub>3</sub> | x<sub>4</sub> | y<sub>4</sub> |
| 80 | 0.0886 | 0.0056 | -0.1152 | -0.0891 | -0.0115 | -0.0443 | 0.0886 | 0.0056 |
| 70 | 0.0614 | -0.0019 | -0.0874 | -0.0602 | -0.0159 | -0.0261 | 0.0614 | -0.0019 |
| 60 | 0.0433 | -0.005 | -0.0627 | -0.0428 | -0.014 | -0.0172 | 0.0433 | -0.005 |
| 50 | 0.0303 | -0.0039 | -0.0389 | -0.0288 | -0.0102 | -0.0112 | 0.0303 | -0.0039 |
| 40 | 0.0182 | -0.0037 | -0.0255 | -0.0183 | -0.008 | -0.0058 | 0.0182 | -0.0037 |
| 30 | 0.0088 | -0.002 | -0.0121 | -0.0092 | -0.0029 | -0.0027 | 0.0088 | -0.002 |
| 20 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 10 | -0.0052 | 0.001 | 0.0106 | 0.008 | 0.0043 | 0.0007 | -0.0052 | 0.001 |
| 0 | -0.0099 | 0.0002 | 0.022 | 0.0145 | 0.0093 | 0.0008 | -0.0099 | 0.0002 |
| -10 | -0.0013 | 0.0061 | 0.0289 | 0.0199 | 0.0355 | -0.015 | -0.0013 | 0.0061 |
| -20 | -0.0042 | -0.0038 | 0.0441 | 0.0326 | 0.0375 | -0.0118 | -0.0042 | -0.0038 |
| -30 | -0.006 | -0.0056 | 0.0596 | 0.0406 | 0.0378 | -0.0084 | -0.0073 | -0.0064 |
| -40 | -0.0078 | -0.0074 | 0.0726 | 0.0313 | 0.0368 | -0.003 | -0.0095 | -0.0054 |
本实施例中当前环境温度为32℃下，根据当前环境温度在温度-偏移量对照表中查找出当前环境温度所在的温度区间为30℃-40℃，根据温度区间得到该温度区间的最大温度点为40℃和最小温度点为30℃；
通过公式
计算当前环境温度Tk＝30℃对应的偏移量Yk，其中Ti＜Tk＜Tj，Ti＝30℃，Tj＝40℃，其中Yi和Yj通过表3查找可得。计算出四个传感器在当前环境温度下的偏移量如表4所示，在当前环境温度下，其中1号传感器的偏移量为x1p、y1p，2号传感器的偏移量为x2p、y2p，3号传感器的偏移量为x3p、y3p，4号传感器的偏移量为x4p、y4p。
表4
| 温度/偏移量 | x<sub>1p</sub> | y<sub>1p</sub> | x<sub>2p</sub> | y<sub>2p</sub> | x<sub>3p</sub> | y<sub>3p</sub> | x<sub>4p</sub> | y<sub>4p</sub> |
| 32℃ | 0.01068 | -0.00234 | -0.01478 | -0.01102 | -0.00392 | -0.00332 | 0.01068 | -0.00234 |
从倾角传感器的测量值中减去偏移量得到倾角传感器的输出值，上述计算处理过程均在倾角传感器的温漂处理单元中进行，传感器的输出值即为已经进行过温漂处理后的值。
本发明提供的姿态传感系统，通过设计了传感器模块独特的冗余方式，同时每个传感器中设置了温漂处理单元，抑制了温漂对传感器输出值误差的影响，同时设置了故障检测单元可以排除发生故障的倾角传感器，输出计算单元根据有效的倾角传感器计算出待测倾角的值更加的准确。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例提供一种倾角测量方法，包括：
获取四个双轴倾角传感器的输出值，如表4所示；
根据预先设置的故障检测门限及所述输出值判断出有故障的倾角传感器，排除有故障的倾角传感器得到有效的倾角传感器；
本实施例中设定故障检测门限值A＝0.01；
读取与测量轴向同向的两个倾角传感器(1号和2号)的输出分别为Y1、Y2,与测量轴向反向的两个倾角传感器(3号和4号)的输出为Y3、Y4；其中双轴倾角传感器的输出包括x轴和y轴输出，在故障检测时x轴和y轴输出分开考虑，即先检测四个传感器的x轴输出值，再检测四个传感器的y轴输出值，这样即使是某个传感器的x轴输出值发生故障也不影响y轴输出值。
分别对于四个传感器的x轴和y轴输出进行判断|Y1-Y2|、|Y1+Y3|、|Y1+Y4|、|Y2+Y3|、|Y2+Y4|、|Y3-Y4|是否小于A＝0.01，根据判断结果查找表1，找到发生故障的倾角传感器，其余未发生故障的传感器即为有效的倾角传感器，通过上述方法可以分别判断出x轴发生故障的传感器和y轴发生故障的传感器，排除有故障的倾角传感器，得到有效的倾角传感器。
分别统计有效的倾角传感器的x轴输出值和y轴的输出值，分别计算x轴角度和y轴角度，待测角度包括x轴角度和y轴角度，其中x轴角度或y轴角度为所有与测量轴同向设置的有效的倾角传感器的输出之和减去所有与测量轴反向设置的有效的倾角传感器的输出之和后再除于有效的倾角传感器的总个数。
本发明提供的倾角测量方法，根据四个传感器计算待测角度时，对四个传感器的x轴和y轴分别进行故障检测并排除有故障的传感器，得到有效的倾角传感器，并根据有效的倾角传感器计算出待测角度，提高了测量精度。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (10)
1.一种姿态传感系统，其特征在于，包括：
倾角传感器模块，所述倾角传感器模块包括四个倾角传感器，所述四个倾角传感器沿着测量轴向在同一平面内布置，其中两个与测量轴向同向布置，两个与测量轴向反向布置，四个倾角传感器分别输出初始倾角信号；
处理单元,用于对所述初始倾角信号进行处理,得到待测倾角的值；所述处理单元的信号输入端与所述倾角传感器模块的信号输出端连接，用于根据四个倾角传感器的输出值与预先设定的故障检测门限值对比分析，判断并去除发生故障的倾角传感器，得到有效的倾角传感器，然后根据有效倾角传感器的输出计算待测倾角的值。
2.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述倾角传感器为双轴倾角传感器。
3.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述四个倾角传感器精度相同。
4.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述的根据四个倾角传感器的输出值与设定的故障检测门限值对比分析，判断并去除发生故障的倾角传感器,具体包括:
读取与所述测量轴向同向的两个倾角传感器的输出分别为Y1、Y2,与所述测量轴向反向的两个倾角传感器的输出为Y3、Y4；
分别判断|Y1-Y2|、|Y1+Y3|、|Y1+Y4|、|Y2+Y3|、|Y2+Y4|、|Y3-Y4|是否小于预先设置的故障检测门限值A；
根据判断结果组合分析得出有故障的倾角传感器。
5.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述根据有效倾角传感器的输出计算待测倾角的值，具体包括：
统计有效的倾角传感器的输出值；
所述待测倾角的值为与所述测量轴同向设置的有效的倾角传感器的输出之和减去与测量轴反向设置的有效的倾角传感器的输出之和后再除于有效的倾角传感器的总个数。
6.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述的倾角传感器还包括温漂处理单元,用于根据温度-偏移量对照表确定当前环境温度下倾角传感器的偏移量,从倾角传感器的测量值中减去所述的偏移量得到倾角传感器的输出值。
7.如权利要求6所述系统，其特征在于，所述根据温度-偏移量对照表确定当前环境温度下倾角传感器的偏移量，具体包括：
根据当前环境温度在温度-偏移量对照表中查找出当前环境温度所在的温度区间，所述温度-偏移量对照表包括具有设定温度间隔的若干温度点以及与各温度点对应的偏移量，所述温度区间是指相邻两温度点之间的区间；
根据温度区间得到该温度区间的最大温度点和最小温度点；
通过公式
计算当前环境温度Tk对应的偏移量Yk，其中Ti＜Tk＜Tj，Yi为温度点Ti时对应的偏移量，Yj为温度点Tj时对应的偏移量，Ti和Tj分别为该温度区间的最小温度点和最大温度点。
8.如权利要求1-7任一项所述系统的倾角测量方法，其特征在于，包括：
获取四个倾角传感器的输出值；
根据预先设置的故障检测门限及所述输出值判断出有故障的倾角传感器，排除有故障的倾角传感器得到有效的倾角传感器；
根据有效的倾角传感器的输出值计算待测角度。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据预先设置的故障检测门限及所述输出值判断出有故障的倾角传感器，排除有故障的倾角传感器得到有效的倾角传感器，具体包括：
读取与所述测量轴向同向的两个倾角传感器的输出分别为Y1、Y2,与所述测量轴向反向的两个倾角传感器的输出为Y3、Y4；
分别判断|Y1-Y2|、|Y1+Y3|、|Y1+Y4|、|Y2+Y3|、|Y2+Y4|、|Y3-Y4|是否小于故障检测门限A；
根据判断结果组合分析得出有故障的倾角传感器；
排除有故障的倾角传感器，得到有效的倾角传感器。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据有效的倾角传感器的输出值计算待测角度具体包括：
统计有效的倾角传感器的输出值；
所述待测角度为与所述测量轴同向设置的有效的倾角传感器的输出之和减去所有与测量轴反向设置的有效的倾角传感器的输出之和后再除于有效的倾角传感器的总个数。
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