CN111457920A - 一种基于加速度计的旋转角度测量方法 - Google Patents

一种基于加速度计的旋转角度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于加速度计的旋转角度测量方法，包括以下步骤：首先在旋转角度传感器测量平面内，以旋转中心O，夹角为扇形分布两个双轴加速度计，分别为1号和2号，然后将旋转角度传感器绕旋转中心高速转动，通过测量1号和2号加速度计x轴的最大加速度和z轴的最大加速度，求得两个加速度计需要旋转一定角度，使其z轴指向旋转中心。接着在静止状态下测量出两个加速度计x轴的加速度，并通过数学推导求得两个加速度计安装位置所成夹角，最后，通过两个加速度计测量旋转角度传感器的旋转角度。本发明能够消除安装位置误差对于旋转角度解算的影响。

Description

一种基于加速度计的旋转角度测量方法
技术领域
本发明属于测控技术领域，特别涉及一种基于加速度计的旋转角度测量方法。
背景技术
旋转载体的角度测量对于载体的动态估计、姿态解算等均具有重要意义。目前常用的旋转角度测量方法分为两种，分别是基于编码器测量和基于惯性器件测量。其中，基于编码器的测量方法根据测量原理不同又可分为光电式、霍尔式等，其优点在于测量精度高，稳定性好。但由于此种测量方法需要分别将编码器的旋转端和非旋转端进行固定和安装，依赖于一定的机械结构，因此该方法的使用受到诸多限制，无法在自由旋转载体上进行应用。相比较于基于编码器的角度测量方法，基于惯性器件的测量方法无需任何机械支撑结构，因此使用更加灵活，特别是在MEMS技术日趋成熟以后，MEMS惯性器件以其体积小、重量轻等优点，逐渐成为自由载体角速度测量的主要选择。但是，由于陀螺仪的量程(通常小于±2000°/s)，所以不具备测量的通用性。
发明内容
发明目的：针对上述缺陷，本发明提供一种基于加速度计的旋转角度测量方法，通过合理设计加速度计的分布方式和旋转角度解算方法，克服了由于安装位置对旋转角度解算带来的影响，同时为代替编码器进行角度测量提供一种可行方案。
技术方案：本发明提出一种基于加速度计的旋转角度测量方法，包括如下步骤：
步骤一：在旋转角度传感器测量平面内，以旋转中心O，夹角为Δθ扇形分布两个双轴加速度计，分别为1号和2号，首先将旋转角度传感器绕旋转中心高速转动，然后通过测量1号加速度计x轴的最大加速度和z轴的最大加速度，求得1号加速度计需要旋转一定角度，使其z轴指向旋转中心。同理，将2号加速度计的z轴指向旋转中心；
步骤二：根据步骤一中的旋转角度传感器，在静止状态下测量出两个加速度计x轴的加速度，并通过数学推导求得两个加速度计安装位置所成夹角；
步骤三：经过步骤一和步骤二标定后，即使重力加速度出现偏差时，也能通过两个加速度计测量旋转角度传感器的旋转角度。
进一步的，所述的步骤一中，在旋转角度传感器测量平面内，以旋转中心O，夹角为Δθ，半径为r扇形分布两个双轴加速度计，分别为1号和2号，首先将旋转角度传感器以角速度ω绕旋转中心高速转动，然后通过测量1号加速度计x轴的最大加速度ax1max和z轴的最大加速度az1max，求得1号加速度计需要旋转α1°，使其z轴指向旋转中心。具体数学关系如下：
Figure BDA0002453601710000021
Figure BDA0002453601710000022
同理，通过测量2号加速度计x轴的最大加速度ax2max和z轴的最大加速度az2max，求得2号加速度计需要旋转α2°，使其z轴指向旋转中心。
Figure BDA0002453601710000023
Figure BDA0002453601710000024
进一步的，所述步骤二中通过数学推导求得两个加速度计安装位置所成夹角具体为：当无法确定1号加速计和2号加速度计安装位置所成夹角时，通过在静止状态下测量出两个加速度计x轴的加速度ax1和ax2，并通过数学推导求得两个加速度计安装位置所成夹角Δθ。具体数学关系如下：
Figure BDA0002453601710000025
其中β为1号加速度计z轴与重力加速度之间的夹角。
Figure BDA0002453601710000026
Δθ取正值，且Δθ＜2π，其中g为重力加速度。
进一步的，所述步骤三中实现旋转角度测量具体为：当经过所述步骤一和所述步骤二进行标定后，当由于振动等因素造成g出现偏差时，此时为
Figure BDA0002453601710000031
仍然可以通过测量1号和2号加速度计x轴的加速度ax1和ax2求得1号加速度计的z轴与重力加速度之间的夹角
Figure BDA0002453601710000032
从而实现旋转角度的测量。
Figure BDA0002453601710000033
Figure BDA0002453601710000034
可见，即使无法精确知道两个加速度计分布所成夹角以及由于振动等造成的重力加速度也能通过上述步骤进行旋转角度的解算。
本发明解决了旋转载体的旋转角度测量问题，考虑采用较高精度的MEMS加速度计替代现有的编码器测量方案，设计出一种基于加速度计的旋转角度传感器。在使用加速度计进行旋转角度测量时，加速度计的安装位置的偏差和解算方法很大程度上影响了旋转角度的准确性，因此本发明设计了一种通用的加速度计分布方式，能够消除安装位置误差对于旋转角度解算的影响。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
本发明通过两个双轴加速度计的合理分布，设计出一种基于加速度计的旋转角度传感器，该旋转角度传感器通过两个加速度计的输出得到被测载体的旋转角度。从旋转角度解算方法中可以看出，本发明设计的旋转角度传感器不会因为两个加速度计分布所成夹角的误差以及由于振动等原因造成的输出重力加速度的偏差而导致角度解算的误差。解决陀螺仪量程小、编码器受机械结构限制等问题，实现载体在单轴方向上旋转角度测量。该旋转角度传感器能够应用于任何在单轴旋转的载体，具有很强的实用性。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为具体实施例中基于加速度计的旋转角度传感器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
下面结合附图对本发明实施方法做更详细的描述。
如图1所示，本发明所述的一种基于加速度计的旋转角度测量方法，包括如下步骤：
步骤一：在旋转角度传感器测量平面内，以旋转中心O，夹角为Δθ扇形分布两个双轴加速度计，分别为1号和2号，首先将旋转角度传感器绕旋转中心高速转动，然后通过测量1号加速度计x轴的最大加速度和z轴的最大加速度，求得1号加速度计需要旋转一定角度，使其z轴指向旋转中心。同理，将2号加速度计的z轴指向旋转中心。
进一步的，所述的步骤一中，在旋转角度传感器测量平面内，以旋转中心O，夹角为Δθ，半径为r扇形分布两个双轴加速度计，分别为1号和2号，首先将旋转角度传感器以角速度ω绕旋转中心高速转动，然后通过测量1号加速度计x轴的最大加速度ax1max和z轴的最大加速度az1max，求得1号加速度计需要旋转α1°，使其z轴指向旋转中心。具体数学关系如下：
Figure BDA0002453601710000041
Figure BDA0002453601710000042
同理，通过测量2号加速度计x轴的最大加速度ax2max和z轴的最大加速度az2max，求得2号加速度计需要旋转α2°，使其z轴指向旋转中心。
Figure BDA0002453601710000043
Figure BDA0002453601710000044
步骤二：根据步骤一中的旋转角度传感器，在静止状态下测量出两个加速度计x轴的加速度，并通过数学推导求得两个加速度计安装位置所成夹角。
进一步的，所述步骤二中通过数学推导求得两个加速度计安装位置所成夹角具体为：当无法确定1号加速计和2号加速度计安装位置所成夹角时，通过在静止状态下测量出两个加速度计x轴的加速度ax1和ax2，并通过数学推导求得两个加速度计安装位置所成夹角Δθ。具体数学关系如下：
Figure BDA0002453601710000051
其中β为1号加速度计z轴与重力加速度之间的夹角。
Figure BDA0002453601710000052
Δθ取正值，且Δθ＜2π，其中g为重力加速度。
步骤三：经过步骤一和步骤二标定后，即使重力加速度出现偏差时，也能通过两个加速度计测量旋转角度传感器的旋转角度。
进一步的，所述步骤三中实现旋转角度测量具体为：当经过所述步骤一和所述步骤二进行标定后，当由于振动等因素造成g出现偏差时，此时为
Figure BDA0002453601710000053
仍然可以通过测量1号和2号加速度计x轴的加速度ax1和ax2求得1号加速度计的z轴与重力加速度之间的夹角
Figure BDA0002453601710000054
从而实现旋转角度的测量。
Figure BDA0002453601710000055
Figure BDA0002453601710000056
可见，即使无法精确知道两个加速度计分布所成夹角以及由于振动等造成的重力加速度也能通过上述步骤进行旋转角度的解算。
本发明揭示了一种基于加速度计的旋转角度传感器的设计方法。通过两个双轴加速度计的合理分布，设计出一种基于加速度计的旋转角度传感器，该旋转角度传感器通过两个加速度计的输出得到被测载体的旋转角度。从旋转角度解算方法中可以看出，本发明设计的旋转角度传感器不会因为两个加速度计分布所成夹角的误差以及由于振动等原因造成的输出重力加速度的偏差而导致角度解算的误差。解决陀螺仪量程小、编码器受机械结构限制等问题，实现载体在单轴方向上旋转角度测量。该旋转角度传感器能够应用于任何在单轴旋转的载体，具有很强的实用性。

Claims (4)

1.一种基于加速度计的旋转角度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在旋转角度传感器测量平面内，以旋转中心O，夹角为Δθ扇形分布两个双轴加速度计，分别为1号和2号，首先将旋转角度传感器绕旋转中心高速转动，然后通过测量1号加速度计x轴的最大加速度和z轴的最大加速度，求得1号加速度计需要旋转α°角度，使其z轴指向旋转中心；同理，将2号加速度计的z轴指向旋转中心；
(2)根据步骤(1)中的旋转角度传感器，在静止状态下测量出两个加速度计x轴的加速度，并通过数学推导求得两个加速度计安装位置所成夹角；
(3)经过步骤(1)和步骤(2)标定后，通过两个加速度计测量旋转角度传感器的旋转角度。
2.根据权利要求1所述的一种基于加速度计的旋转角度测量方法，其特征在于，所述步骤(1)中将旋转角度传感器绕旋转中心高速转动，然后通过测量1号加速度计x轴的最大加速度ax1max和z轴的最大加速度az1max，求得1号加速度计需要旋转α1°角度，使其z轴指向旋转中心的数学关系如下：
Figure FDA0002453601700000011
Figure FDA0002453601700000012
其中，g为重力加速度；
同理，将2号加速度计的z轴指向旋转中心的数学关系如下：
Figure FDA0002453601700000013
3.根据权利要求1所述的一种基于加速度计的旋转角度测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在静止状态下测量出两个加速度计x轴的加速度，并通过数学推导求得两个加速度计安装位置所成夹角的具体步骤为：
当无法确定1号加速计和2号加速度计安装位置所成夹角时，通过在静止状态下测量出两个加速度计x轴的加速度ax1和ax2，并通过数学推导求得两个加速度计安装位置所成夹角Δθ；具体数学关系如下：
Figure FDA0002453601700000021
其中β为1号加速度计z轴与重力加速度之间的夹角；
Figure FDA0002453601700000022
Δθ取较小值，其中g为重力加速度。
4.根据权利要求1所述的一种基于加速度计的旋转角度测量方法，其特征在于，所述步骤(3)中，通过两个加速度计测量旋转角度传感器的旋转角度的具体步骤如下：
当经过步骤(1)和步骤(2)进行标定后，当由于振动等因素造成g出现偏差时，此时为
Figure FDA0002453601700000023
通过测量1号和2号加速度计x轴的加速度ax1和ax2求得1号加速度计的z轴与重力加速度之间的夹角
Figure FDA0002453601700000024
从而实现旋转角度的测量；
Figure FDA0002453601700000025
Figure FDA0002453601700000026
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