CN111189432A - 一种双轴倾角仪计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双轴倾角仪计算方法，其特征在于，包括下述步骤：(1)将倾角仪通过工装装于双轴转台上进行六位置标定，计算出标定矩阵；(2)利用标定矩阵进行敏感轴标定补偿，并计算俯仰角及横滚角；(3)根据俯仰角及横滚角计算出虚拟Z敏感轴数据并重新进行补偿，最终计算获得载体当前的俯仰角及横滚角信息。本发明解决现有技术中欧拉角输出及误差标定的问题，具有较高的工程化应用价值和推广价值。

Description

一种双轴倾角仪计算方法
技术领域
本发明属于惯性测量技术领域，具体涉及一种双轴倾角仪计算方法。
背景技术
在双轴倾角仪测量系统中，测角精度是该系统一个重要参数。现有的双轴倾角仪一般只测量敏感轴与水平面的夹角，并没有反映被测体与空间的欧拉角关系，导致在常规惯性导航领域使用时需进行角度转换；同时现有双轴倾角仪在标定时只进行了双轴误差标定，因此在安装时多需要正反两次安装进行安装偏角的误差补偿，不利于使用。因此，如何解决以上两个问题是双轴倾角仪系统的一个重点研究方向。
发明内容
针对现有技术以上缺陷或改进需求中的至少一种，本发明提供了一种双轴倾角仪计算方法，包括标定方法及实时解算方法，旨在解决现有技术中欧拉角输出及误差标定的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种双轴倾角仪计算方法，包括下述步骤：
(1)将倾角仪通过工装装于双轴转台上进行六位置标定，计算出标定矩阵H；
(2)利用标定矩阵H进行敏感轴标定补偿，并计算俯仰角及横滚角；
(3)根据俯仰角及横滚角计算出虚拟Z敏感轴数据并重新进行补偿，最终计算获得载体当前的俯仰角及横滚角信息。
优选地，步骤(1)标定流程，具体包括：
(1.1)定义倾角仪X敏感轴为横滚轴，Y敏感轴为俯仰轴，通过工装将双轴倾角仪装于水平调平后的双轴转台上，任一敏感轴系与转台俯仰转动轴系重合；
(1.2)旋转转台使X敏感轴、Y敏感轴分别处于六个位置，其中定义Y敏感轴正向朝天为第1位置，将X敏感轴、Y敏感轴在XY平面内从第1位置绕原点依次旋转90°分别得到第2位置、第3位置、第4位置，XY平面为水平面时为第5位置，将第5位置的X敏感轴正向反向得到第6位置；每个位置采集数据预定时长，并取数据的平均值分别计算Xi及Yi；其中：Xi表示第i个位置的X轴数据平均值，Yi表示第i个位置的Y轴数据平均值；
(1.3)根据公式X0＝(X2+X4)/2及Y0＝(Y1+Y3)/2分别计算X敏感轴与Y敏感轴的数据零位；
(1.4)根据公式Axi＝Xi-X0及Ayi＝Yi-Y0分别计算X敏感轴与Y敏感轴的补偿零位后数据；
(1.5)根据公式H＝((X'*X)-1*X'*Y)'计算出标定矩阵H；其中：
Figure BDA0002362978820000021
X'为X的转置矩阵；X-1为X的求逆矩阵。
优选地，步骤(2)为实时解算流程，倾角仪安装到载体上后按以下步骤解算，具体包括：
(2.1)实时采集X敏感轴、Y敏感轴的输出记为Ax0(t)及Ay0(t)，其中t为当前实时时间；
(2.2)根据公式
Figure BDA0002362978820000031
计算补偿后的X敏感轴、Y敏感轴数据；
(2.3)根据公式pitch0(t)＝arc sin(Ay1(t))及
Figure BDA0002362978820000032
Figure BDA0002362978820000033
分别计算俯仰角及横滚角。
优选地，步骤(3)具体包括：
(3.1)根据公式Az0(t)＝cos(roll0(t))*cos(pitch0(t))计算虚拟Z敏感轴数据；
(3.2)根据公式
Figure BDA0002362978820000034
重新计算补偿后的X敏感轴、Y敏感轴数据；
(3.3)根据公式pitch0(t)＝arc sin(Ay1(t))及
Figure BDA0002362978820000035
Figure BDA0002362978820000036
获得载体当前的俯仰角及横滚角信息；
(3.4)当前载体俯仰角为pitch(t)，横滚角为roll(t)。
上述优选技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明的双轴倾角仪计算方法，采用构建虚拟Z敏感轴数据的方法进行标定补偿，并将输出角度转化为欧拉角数据，在获得高精度姿态数据的同时可直接将数据用于惯性导航领域。本发明简单巧妙，符合实际需求进步显著且实用性强，能够大规模推广使用。
附图说明
图1是本发明实施例的双轴倾角仪计算方法的六位置标定方法流程图；
图2是本发明实施例的双轴倾角仪计算方法的实现流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
本发明提供的双轴倾角仪计算方法，解决现有技术中旨在解决现有技术中欧拉角输出及误差标定的问题。
如图2所示，本发明实施例提供的双轴倾角仪计算方法，包括以下几个步骤：
步骤1：将倾角仪通过工装装于双轴转台上进行六位置标定，计算出标定矩阵；
步骤2：根据标定矩阵补偿倾角仪敏感轴输出并计算俯仰角及横滚角；
步骤3：根据俯仰角及横滚角计算虚拟Z敏感轴数据并重新进行补偿，最终计算获得载体当前的俯仰角及横滚角信息。
作为本发明的一个实施例，步骤1中将倾角仪通过工装装于双轴转台上进行六位置标定，计算出标定矩阵H，具体通过以下步骤实现：
(1a)定义倾角仪X敏感轴为横滚轴，Y敏感轴为俯仰轴。通过工装将双轴倾角仪装于水平调平后的双轴转台上，任一敏感轴系与转台俯仰转动轴系重合；
(1b)旋转转台使X、Y敏感轴分别处于图1的六个位置，每个位置采集数据5min，并取数据的平均值分别计算Xi及Yi；其中：Xi表示第i个位置的X轴数据平均值；Yi表示第i个位置的Y轴数据平均值；
(1c)根据公式X0＝(X2+X4)/2及Y0＝(Y1+Y3)/2分别计算X敏感轴与Y敏感轴的数据零位；
(1d)根据公式Axi＝Xi-X0及Ayi＝Yi-Y0分别计算X敏感轴与Y敏感轴的补偿零位后数据；
(1e)根据公式H＝((X'*X)-1*X'*Y)'计算出标定矩阵H(为3×3矩阵)；其中：
Figure BDA0002362978820000051
X'为X的转置矩阵；X-1为X的求逆矩阵。
作为本发明的一个实施例，步骤2中根据标定矩阵补偿倾角仪敏感轴输出并计算俯仰角及横滚角，具体通过以下步骤实现：
(2a)实时采集两个X、Y敏感轴的输出记为Ax0(t)及Ay0(t)，其中t为当前实时时间；
(2b)根据公式
Figure BDA0002362978820000061
计算补偿后的X、Y敏感轴数据；
(2c)根据公式pitch0(t)＝arcsin(Ay1(t))及
Figure BDA0002362978820000062
Figure BDA0002362978820000063
计算俯仰角及横滚角。
作为本发明的一个实施例，步骤3中根据俯仰角及横滚角计算虚拟Z敏感轴数据并重新进行补偿，最终计算获得载体当前的俯仰角及横滚角信息，具体通过以下步骤实现：
(3a)根据公式Az0(t)＝cos(roll0(t))*cos(pitch0(t))计算虚拟Z敏感轴数据；
(3b)根据公式
Figure BDA0002362978820000064
重新计算补偿后的X、Y敏感轴数据；
(3c)根据公式pitch0(t)＝arc sin(Ay1(t))及
Figure BDA0002362978820000065
Figure BDA0002362978820000066
获得载体当前的俯仰角及横滚角信息；
(3d)当前载体俯仰角为pitch(t)，横滚角为roll(t)。
通过上述公式就可以得到载体的俯仰角及横滚角信息。
本发明提供的双轴倾角仪计算方法，采用构建虚拟Z敏感轴数据的方法进行标定补偿，并将输出角度转化为欧拉角数据，在获得高精度姿态数据的同时可直接将数据用于惯性导航领域。本发明简单巧妙，符合实际需求进步显著且实用性强，能够大规模推广使用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种双轴倾角仪计算方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)将倾角仪通过工装装于双轴转台上进行六位置标定，计算出标定矩阵H；
(2)利用标定矩阵H进行敏感轴标定补偿，并计算俯仰角及横滚角；
(3)根据俯仰角及横滚角计算出虚拟Z敏感轴数据并重新进行补偿，最终计算获得载体当前的俯仰角及横滚角信息。
2.如权利要求1所述的双轴倾角仪计算方法，其特征在于，步骤(1)具体包括：
(1.1)定义倾角仪X敏感轴为横滚轴，Y敏感轴为俯仰轴，通过工装将双轴倾角仪装于水平调平后的双轴转台上，任一敏感轴系与转台俯仰转动轴系重合；
(1.2)旋转转台使X敏感轴、Y敏感轴分别处于六个位置，其中定义Y敏感轴正向朝天为第1位置，将X敏感轴、Y敏感轴在XY平面内从第1位置绕原点依次旋转90°分别得到第2位置、第3位置、第4位置，XY平面为水平面时为第5位置，将第5位置的X敏感轴正向反向得到第6位置；每个位置采集数据预定时长，并取数据的平均值分别计算Xi及Yi；其中：Xi表示第i个位置的X轴数据平均值，Yi表示第i个位置的Y轴数据平均值；
(1.3)根据公式X0＝(X2+X4)/2及Y0＝(Y1+Y3)/2分别计算X敏感轴与Y敏感轴的数据零位；
(1.4)根据公式Axi＝Xi-X0及Ayi＝Yi-Y0分别计算X敏感轴与Y敏感轴的补偿零位后数据；
(1.5)根据公式H＝((X'*X)-1*X'*Y)'计算出标定矩阵H；其中：
Figure FDA0002362978810000021
X'为X的转置矩阵；X-1为X的求逆矩阵。
3.如权利要求2所述的双轴倾角仪计算方法，其特征在于,步骤(2)具体包括：
(2.1)实时采集X敏感轴、Y敏感轴的输出记为Ax0(t)及Ay0(t)，其中t为当前实时时间；
(2.2)根据公式
Figure FDA0002362978810000022
计算补偿后的X敏感轴、Y敏感轴数据；
(2.3)根据公式pitch0(t)＝arc sin(Ay1(t))及
Figure FDA0002362978810000023
Figure FDA0002362978810000024
分别计算俯仰角及横滚角。
4.如权利要求3所述的双轴倾角仪计算方法，其特征在于，步骤(3)具体包括：
(3.1)根据公式Az0(t)＝cos(roll0(t))*cos(pitch0(t))计算虚拟Z敏感轴数据；
(3.2)根据公式
Figure FDA0002362978810000025
重新计算补偿后的X敏感轴、Y敏感轴数据；
(3.3)根据公式pitc h0(t)＝arc sin(Ay1(t))及
Figure FDA0002362978810000031
Figure FDA0002362978810000032
获得载体当前的俯仰角及横滚角信息；
(3.4)当前载体俯仰角为pitch(t)，横滚角为roll(t)。
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