CN110296684A - 一种具有快速线加速度检测功能的动态倾角计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有快速线加速度检测功能的动态倾角计，其包括：陀螺仪，其能够测量角速度以得到角速度测量值；加速度计，其能够测量加速度以得到加速度测量值；线加速度检测器，其根据所述角速度测量值和所述加速度测量值确定所述加速度测量值中是否包含线加速度；卡尔曼滤波器，在所述线加速度检测器确定所述加速度测量值中不包含线加速度时，根据所述角速度测量值、所述加速度测量值以及第一组权重计算倾角，在所述线加速度检测器确定所述加速度测量值中包含线加速度时，根据所述角速度测量值、所述加速度测量值以及第二组权重计算倾角。这样，可以快速有效的检测出较小的线加速度，避免了小线性加速度存在时的倾角输出误差增加的问题。

Description

一种具有快速线加速度检测功能的动态倾角计

【技术领域】

本发明涉及动态倾角计领域，尤其是涉及一种具有快速线加速度检测功能的动态倾角计。

【背景技术】

现有技术中，动态倾角计融合陀螺仪和加速度计来测量载体相对于当地水平面的倾角。其中，加速度计测量当地重力加速度，可以作为长期的水平面参考完成对倾角的测量，陀螺仪测量载体相对于参考坐标系的角速度，将角速度积分后，可以得到角度变化，该角度变化短期内具备较高的精度。卡尔曼(Kalman)滤波器计算陀螺仪和加速度计在倾角计算中的权重，完成动态倾角测量。

现有技术中，使用加速度计的加速度测量值的幅值与当地重力加速度进行对比，当二者之差超过设定的阈值(阈值需根据加速度计测量噪声判断)时，则判断加速度计的加速度测量值中包含线加速度，从而可以降低卡尔曼滤波器中加速度测量值的权重。该方法在检测较小的线加速度时可靠性较低，导致倾角计输出误差增加。

因此，有必要提供一种新的改进方案来克服上述问题。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题在于提供一种动态倾角计，其可以快速有效的检测出较小的线加速度，避免了小线性加速度存在时的倾角输出误差增加的问题。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，本发明提供一种动态倾角计，其包括：陀螺仪，其能够测量角速度以得到角速度测量值；加速度计，其能够测量加速度以得到加速度测量值；线加速度检测器，其根据所述角速度测量值和所述加速度测量值确定所述加速度测量值中是否包含线加速度；卡尔曼滤波器，在所述加速度测量值中不包含线加速度时将所述角速度测量值和所述加速度测量值在倾角计算中的权重设为第一组权重，在所述加速度测量值中包含线加速度时将所述角速度测量值和所述加速度测量值在倾角计算中的权重设为第二组权重，其中第二组权重中加速度测量值的权重低于第一组权重中加速度测量值的权重，在所述线加速度检测器确定所述加速度测量值中不包含线加速度时，根据所述角速度测量值、所述加速度测量值以及第一组权重计算倾角，在所述线加速度检测器确定所述加速度测量值中包含线加速度时，根据所述角速度测量值、所述加速度测量值以及第二组权重计算倾角。

相对于根据加速度计的加速度测量值的幅值来检测线加速度的方法，本发明结合陀螺仪的角速度测量值和加速度计的加速度测量值来实现对线加速度的检测，有效改善了小线加速度的检测速度和可靠性。

关于本发明的其他目的，特征以及优点，下面将结合附图在具体实施方式中详细描述。

【附图说明】

结合参考附图及接下来的详细描述，本发明将更容易理解，其中同样的附图标记对应同样的结构部件，其中：

图1为本发明中的动态倾角计在一个实施例中的结构框示意图；

图2为动态倾角计在一个情形下的输出信号的波形示意图，其中在这种情形下，所述动态倾角计水平放置，在30s～60s这一段时间，动态倾角计x轴方向存在0.1g的线加速度；

图3为采用现有技术中的线加速度检测方法检测图2所示情形下的动态倾角计得到的线加速度波形示意图；

图4为采用本发明中的线加速度检测方法检测图2所示情形下的动态倾角计得到的线加速度波形示意图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指与所述实施例相关的特定特征、结构或特性至少可包含于本发明至少一个实现方式中。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非必须都指同一个实施例，也不必须是与其他实施例互相排斥的单独或选择实施例。本发明中的“多个”、“若干”表示两个或两个以上。本发明中的“和/或”表示“和”或者“或”。

本发明提出了一种具有快速线加速度检测功能的动态倾角计，其结合陀螺仪的角度制测量值和加速度计的加速度测量值可以快速有效的检测出较小的线加速度，有效改善了小线加速度的检测速度和可靠性，避免了小线性加速度存在时的倾角输出误差增加的问题。

图1为本发明中的动态倾角计100在一个实施例中的结构框示意图。如图1所示的，所述动态倾角计100包括陀螺仪110、加速度计120、线加速度检测器130和卡尔曼滤波器140。

所述陀螺仪110可以测量载体相对于参考坐标系的角速度以得到角速度测量值，将角速度积分后，可以得到角度变化，该角度变化短期内具备较高的精度。所述陀螺仪110可以为三轴陀螺仪。所述加速度计120可以测量加速度以得到加速度测量值，所述加速度测量值中包含重力加速度，所述重力加速度可以作为长期的水平面参考完成对倾角的测量。所述加速度计120可以为三轴加速度计。当然，有的情况下，所述加速度测量值也可以包含线加速度。

所述线加速度检测器130根据所述角速度测量值和所述加速度测量值确定所述加速度测量值中是否包含线加速度。在一个实施例中，所述线加速度检测器130根据一个采样周期(比如第k个采样周期)的角速度测量值和加速度测量值来预测下一个采样周期(比如第k+1个采样周期)的加速度测量值得到下一个采样周期的加速度预测值，将下一个采样周期的加速度预测值与下一个采样周期的加速度测量值进行比较，在两者的差大于等于预设阈值时，则确定所述加速度测量值中包含线加速度，否则，确定所述加速度测量值中不包含线加速度。

具体的，下一个采样周期的加速度预测值ae(k+1)为：ae(k+1)＝a(k)-w(k)×a(k)*dt，其中，a(k)为第k个采样周期的加速度测量值，w(k)第k个采样周期的角速度测量值，ae(k+1)为第k+1个采样周期的加速度预测值，“×”表示两个矢量的叉乘，dt表示两个采样周期的时间间隔，将加速度预测值ae(k+1)与第k+1个采样周期的加速度测量值a(k+1)进行比较。

由于陀螺仪110测量得到的角度变化短期内具备较高的精度，因此可以基于一个采样周期的加速度测量值和加速度测量值来准确的预测下一个采样周期的加速度，如果实际得到的同一个采样周期的加速度测量值与加速度预测值相差很大，说明有线加速度存在。这样，结合陀螺仪的角速度测量值和加速度计的加速度测量值可以快速有效的检测出较小的线加速度，有效改善了小线加速度的检测速度和可靠性。该新的线加速度检测方法可以快速有效的检测出仅比加速度计的测量噪声高2～3倍的线加速度。

图2为动态倾角计在一个情形下的输出信号的波形示意图，其中在这种情形下，所述动态倾角计水平放置，其测量输出为[0,0,-1]g，在30s～60s这一段时间，动态倾角计x轴方向存在0.1g的线加速度，该线加速度将导致约5.7°的倾角测量误差。

对应上述线加速度(x轴方向存在0.1g的线加速度)，如果采用加速度幅值的方法来检测线加速度，如图3所示，可以看到加速度幅值在30s～60s仅有5mg的幅值增加，远小于0.1g的线加速度。考虑到测量噪声等因素，所设计的阈值可能无法有效检测出该线加速度。图3为采用现有技术中的线加速度检测方法检测图2所示情形下的动态倾角计得到的线加速度波形示意图。

对应上述线加速度(x轴方向存在0.1g的线加速度)，如果采用本发明中的检测方法来检测线加速度，如图4所示的，可以有效检测到0.1g的线加速度的开始和结束时刻，即便考虑到陀螺仪和加速度的测量误差，也为线加速度检测的阈值设计留有足够的空间。图4为采用本发明中的线加速度检测方法检测图2所示情形下的动态倾角计得到的线加速度波形示意图。

在一个优选的实施例中，所述线加速度检测器130不仅可以确定所述加速度测量值中是否包含线加速度，还可以根据相同采样周期的加速度预测值和加速测量值来计算出所述线加速度的值。具体的，相同采样周期的加速度预测值与加速度测量值的差与所述线加速度直接相关。

所述卡尔曼滤波器140在所述加速度测量值中不包含线加速度时将所述角速度测量值和所述加速度测量值在倾角计算中的权重设为第一组权重，在所述加速度测量值中包含线加速度时将所述角速度测量值和所述加速度测量值在倾角计算中的权重设为第二组权重，其中第二组权重中加速度测量值的权重低于第一组权重中加速度测量值的权重。在所述线加速度检测器130确定所述加速度测量值中不包含线加速度时，所述卡尔曼滤波器140根据所述角速度测量值、所述加速度测量值以及第一组权重计算载体的倾角，在所述线加速度检测器130确定所述加速度测量值中包含线加速度时，所述卡尔曼滤波器140根据所述角速度测量值、所述加速度测量值以及第二组权重计算载体的倾角。

在一个实施例中，第二组权重可以是固定的，也就是说，加速度测量值的权重不随着线加速度的大小而改变。

在另一个可替换的实施例中，第二组权重可以是基于线加速度的值动态调整的，其中所述线加速度的值越大，第二组权重中加速度测量值的权重就越低。此时，优选的，如果相同采样周期内的加速度预测值与加速度测量值的差大于等于预设另一阈值，第二组权重中的加速度测量值的权重则固定为预定值，不再随着线加速度的值变化，其中所述预设另一阈值大于所述预设阈值。

可见，本发明结合陀螺仪测量和加速度计测量实现对线加速度的检测，相对于根据加速度计测量值幅值来检测线加速度的方法，有效改善了小线加速度的检测速度和可靠性。线加速度检测结果用于调整Kalman滤波器中陀螺仪测量值和加速度计测量值的权重，改善倾角计在动态情况下倾角测量的性能。

如图1所示的，所述动态倾角计100还包括CAN总线接口150，其可以将卡尔曼滤波器140计算得到的倾角传输给上位机。

在本发明中，“连接”、相连、“连”、“接”等表示电性相连的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (6)

1.一种动态倾角计，其特征在于，其包括：

陀螺仪，其能够测量角速度以得到角速度测量值；

加速度计，其能够测量加速度以得到加速度测量值；

线加速度检测器，其根据所述角速度测量值和所述加速度测量值确定所述加速度测量值中是否包含线加速度；

卡尔曼滤波器，在所述加速度测量值中不包含线加速度时将所述角速度测量值和所述加速度测量值在倾角计算中的权重设为第一组权重，在所述加速度测量值中包含线加速度时将所述角速度测量值和所述加速度测量值在倾角计算中的权重设为第二组权重，其中第二组权重中加速度测量值的权重低于第一组权重中加速度测量值的权重，在所述线加速度检测器确定所述加速度测量值中不包含线加速度时，根据所述角速度测量值、所述加速度测量值以及第一组权重计算倾角，在所述线加速度检测器确定所述加速度测量值中包含线加速度时，根据所述角速度测量值、所述加速度测量值以及第二组权重计算倾角。

2.根据权利要求1所述的动态倾角计，其特征在于，所述线加速度检测器根据一个采样周期的角速度测量值和加速度测量值来预测下一个采样周期的加速度测量值得到下一个采样周期的加速度预测值，将下一个采样周期的加速度预测值与下一个采样周期的加速度测量值进行比较，在两者的差大于等于预设阈值时，则确定所述加速度测量值中包含线加速度，否则确定所述加速度测量值中不包含线加速度。

3.根据权利要求2所述的动态倾角计，其特征在于，下一个采样周期的加速度预测值ae(k+1)为：

ae(k+1)＝a(k)-w(k)×a(k)*dt，

其中，a(k)为第k个采样周期的加速度测量值，w(k)第k个采样周期的角速度测量值，ae(k+1)为第k+1个采样周期的加速度预测值，“×”表示两个矢量的叉乘，dt表示两个采样周期的时间间隔，

将第k+1个采样周期的加速度预测值ae(k+1)与第k+1个采样周期的加速度测量值a(k+1)进行比较。

4.根据权利要求2所述的动态倾角计，其特征在于，

第二组权重是固定的；或者

第二组权重是基于线加速度的值动态调整的，其中所述线加速度的值越大，第二组权重中加速度测量值的权重就越低，在确定所述加速度测量值中包含线加速度时，所述线加速度检测器还根据相同采样周期的加速度预测值和加速测量值来计算出所述线加速度的值。

5.根据权利要求4所述的动态倾角计，其特征在于，在第二组权重是基于线加速度的值动态调整的时，如果相同采样周期内的加速度预测值与加速度测量值的差大于等于预设另一阈值，第二组权重中的加速度测量值的权重则固定为预定值，其中所述预设另一阈值大于所述预设阈值。

6.根据权利要求4所述的动态倾角计，其特征在于，所述陀螺仪为三轴陀螺仪，所述加速度计为三轴加速计。