CN112284338A - 浮体发光式倾仰角检测器及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种浮体发光式倾仰角检测器及检测方法；本发明信号采集模块的发光浮体采用发光二极管作为光源，感光器单元用于接收发光浮体发射的光束，将其转换为电信号；信号转换模块对该电信号放大滤波后与预设门限电平u_thd比较，输出反映感光器单元接收光照强度是否是高电平，若高电平则判断其为受激感光器；数据处理模块用于根据受激感光器所在感光器环形阵列和感光器轴向阵列的序号获得受激感光器坐标，获取液面边界椭圆方程，计算液面椭圆边界的长半轴a，基于a值和圆柱容器半径R值计算圆柱容器底面与水平面的夹角即仰角，根据液面法线向量计算圆柱容器轴线在水平面的投影方向即方位角。本发明操作简便、测量精度高，性价比高。

Description

浮体发光式倾仰角检测器及检测方法

技术领域

本发明涉及角度检测技术领域，尤其涉及一种浮体发光式倾仰角检测器及检测方法。

背景技术

在工农业生产和服务、科学研究及日常生活中，角度或倾斜度测量是时常需要的，例如在设备安装、机械加工、建筑施工和交通运输等领域。然而，目前角度测量仪普遍存在精度低或者性价比不高的缺点，本发明旨在解决该问题。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种浮体发光式倾仰角检测器及检测方法，实现倾角检测，检测性价比高，精度较高。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：浮体发光式倾仰角检测器，包括信号采集模块、信号转换模块和数据处理模块；

信号采集模块，包括圆柱容器、感光器单元和发光浮体，圆柱容器内腔设有液体，发光浮体用于向各个方向发射光束，采用发光二极管作为光源，发光浮体设于圆柱容器中且浮于液面；感光器单元用于接收发光浮体发射的光束并将其转换为电信号，感光器单元在内壁圆周上形成感光器环形阵列，感光器环形阵列中的感光器单元沿圆柱容器轴向延伸至圆柱容器端面形成感光器轴向阵列；感光器单元为球形且外表面均匀分布有感光管；

信号转换模块包括放大滤波器、比较器和并转串逻辑单元；放大滤波器输入端和输出端分别电连接于感光器单元输出端和比较器输入端，比较器输出端电连接于并转串逻辑单元输入端，并转串逻辑单元输出端电连接于数据处理模块输入端；信号转换模块通过放大滤波器对感光器单元输出的电信号进行放大和滤波，然后输入至比较器与预设门限电平u_thd进行比较得到输出电平，将m路输出电平并行寄存于一个并转串逻辑单元，然后串行移位输出至数据处理模块的数据接口，这样，数据处理模块的一个n位数据接口可读取mn个感光器单元的光照信息；比较器输出电平反映每个感光器单元所接收光照的强度，若比较器输出高电平则判断对应的感光器单元所接收光照的强度大，称该感光器单元为受激感光器，反之则称其为未受激感光器；

数据处理模块用于根据受激感光器所在的感光器环形阵列和感光器轴向阵列的序号获得每个受激感光器坐标，从而获取液面边界椭圆方程，进而计算液面椭圆边界的长半轴a，基于a值和已知的圆柱容器半径R值计算圆柱容器底面与水平面的夹角即仰角，根据液面法线向量计算圆柱容器轴线在水平面的投影方向即方位角。

按以上方案，发光浮体包括盖板、底板、穿体螺栓、螺母、固定台、发光驱动电路板、发光二极管、电池盒、抛物面光罩和遮光环壁；盖板位于底板上方，穿体螺栓一端连接于盖板中心并向上穿出，另一端连接于底板中心并穿出后向下延伸，螺母设于穿体螺栓的下端，螺母的作用在于依靠其重力将发光浮体稳定地置于液体中且保持水平，采用不同数量、厚度和材质的螺母可将浮体在液中深度调节至最合适值，以保证光束贴近液面；固定台位于底板和盖板之间且固定于穿体螺栓，发光驱动电路板设于固定台上，电池盒设于底板中心且电连接于发光驱动电路板，抛物面光罩位于固定台外侧且抛物面光罩的凹面朝外，发光二极管电连接于发光驱动电路板且发光二极管设于抛物面光罩的凹面中的焦点位置，抛物面光罩用于保证光束形成平行光；遮光环壁的上下两端分别连接于盖板和底板的边沿，遮光环壁中部设有用于限制光束纵向宽度的透光环窗，以保证光束纵向宽度与感光器单元的直径相匹配。

按以上方案，数据处理模块包括微处理器、显示器、扬声器和键盘，微处理器通过电连接于各个并转串逻辑单元输出端的数据接口读取调理后的每个感光管单元输出的光信息并进行倾斜角计算；显示器、扬声器和键盘均电连接于微处理器用于进行人机交互。

按以上方案，液体体积为圆柱容器容积的一半。

浮体发光式倾仰角检测方法，采用上述的浮体发光式倾仰角检测器，所述检测方法步骤为：

步骤1：构建感光器单元的ID号向量集合I＝{(m,n)|m＝0,…M-1，n＝0,…N-1}，其中，N表示感光器环形阵列数量，M表示每个感光器环形阵列中感光器单元的数量；

步骤2：读取图1中比较器输出电平矩阵U_M╳N，其元素表示为u_m,n，其中，m＝0,…M-1，n＝0,…N-1；

步骤3：构建I的子集I_active：I_active＝{(m,n)|u_m,n＝u_H,m＝0,…M-1，n＝0,…N-1},其中u_H表示高电平；

步骤4：基于I_active构建受激感光器坐标子集：C_active＝{(x_m,y_m,z_n)|(m,n)∈I_active,}；

步骤5：对C_active的每一元素进行赋值：x_m＝Rcos(2πm/M),y_m＝Rsin(2πm/M),z_n＝nd，其中R代表圆柱腔半径，d代表感光器环形阵列间距；

步骤6：基于最小二乘法求解至C_active的各元素距离平方之和最小的平面P_a的方程z＝Ax+By+C 的参数A、B和C；

步骤7：求解圆柱腔侧面与平面P_a的交线Elps的椭圆方程：

其中，R表示圆柱容器横截面半径；

步骤8：令x＝Rcosφ，y＝Rsinφ，代入上一步z的表达式，得到z关于φ的函数式z(φ)，基于z(φ) 计算φ_H和φ_L的值：φ_H←argmax_φz(φ)，φ_L←argmin_φz(φ)；

步骤9：计算液面椭圆边界的长半轴a的值：

其中，L表示圆柱容器1长度；

步骤10：计算被测平面与水平面的夹角即仰角θ：θ←arccos(R/a)；

步骤11：计算被测平面倾斜朝向的方位角：

其中，

其中，[x_E′,y_E′,z_E′]为点E在液面上的投影E’的坐标，E为x轴正向延伸与圆柱面的交点， E和E’的坐标通过解析几何方法均可获得。

本发明具有如下有益效果阐述如下：

本发明提出了新的倾斜度测量的技术路线和方法。采用的新技术路线是，用普通光源所发射光束对液面进行空间定位，然后采用解析几何进行角度求解；采用的新方法基于圆柱腔内光电及其配套器件的配置和新颖布局结构，具体如下：

本发明的信号采集模块采用采用最廉价的LED作为光源构建发光浮体，借助抛物面反光罩和透光环窗的结构获得纵向窄化的环形平行光束，提高了用光束对感光器单元进行定位的精度，上述光束供圆柱侧面密集分布的感光器接收和感应；信号转换模块用于将感光器单元输出的电信号进行放大、滤波和比较判决，从而将承载液面边界坐标信息的模拟信号转换成了可读取的数字信号，然后对该数字信号进行并行至串行的转换，解决了感光器数量很大导致的微处理器接口资源短缺问题；数据处理模块用于计算仰角和方位角，采用的算法如下：根据读取的上述数字信号承载的数码获取受激感光器所在感光器环形阵列和感光器轴向阵列的序号，进而计算受激感光器坐标，由此得到液面所在平面的方程，进而得到液面边界椭圆方程，以此求得液面边界距离底面最近点的坐标，从而得到液面边界椭圆的长半轴值a，由a 和圆柱半径R即可得到圆柱容器底面与水平面的夹角即仰角，根据液面法线向量计算圆柱容器轴线在水平面的投影方向即方位角。

由此带来的有益效果可以概括为：构件价廉通用、使用操作简便，所涉设备成本低廉，测量精度较高，性价比高。

附图说明

图1为本发明系统原理框图；

图2为本实施例中发光浮体原理框图；

图3为本实施例中感光器单元原理框图；

图4为本实施例中信号采集模块的立体结构示意图；

图5为本实施例中信号采集模块的过轴截面图；

图6为本实施例中信号采集模块的径向截面图；

图7为本发明计算被测平面的仰角和方位角的算法原理几何图；

图8为本发明发光浮体俯视结构示意图；

图9为本发明发光浮体侧视结构示意图；

图10为本发明发光浮体立体结构示意图；

图11为本发明计算被测平面的仰角和方位角的算法流程图。

附图标记：

1、圆柱容器；2、液体；3、感光器单元；3a、感光管；4、发光浮体；5、盖板；6、底板；7、穿体螺栓；8、螺母；9、固定台；10、发光驱动电路板；11、发光二极管；12、电池盒；13、抛物面光罩；14、遮光环壁；15、透光环窗。

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，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

请参考图1至图11，本发明提供一种浮体发光式倾仰角检测器，其包括信号采集模块、信号转换模块和数据处理模块；

信号采集模块，包括圆柱容器1、感光器单元3和发光浮体4，圆柱容器1内腔设有液体，发光浮体4用于向各个方向发射光束，采用发光二极管11即LED作为光源，发光浮体4设于圆柱容器1中且浮于液面；均匀分布感光管的球形感光器单元3用于接收发光浮体4发射的光束并将其转换为电信号，感光管采用球面分布的目的在于，感光器单元3所接收的光功率不受液面与径向截面夹角大小的影响，感光器单元3在内壁圆周上形成感光器环形阵列，感光器环形阵列中的感光器单元3沿圆柱容器1轴向延伸至圆柱容器1端面形成感光器轴向阵列。

发光浮体4包括盖板5、底板6、穿体螺栓7、螺母8、固定台9、发光驱动电路板10、发光二极管11、电池盒12、抛物面光罩13和遮光环壁14；盖板5位于底板6上方，穿体螺栓7一端连接于盖板5中心并向上微微穿出，另一端连接于底板6中心并穿出后向下延伸，螺母8设于穿体螺栓7的下端，螺母8的作用在于依靠其重力将发光浮体4稳定地置于液体中且保持水平，采用不同数量、厚度和材质的螺母8可将发光浮体4在液中深度调节至最合适值，以保证光束贴近液面；固定台9位于底板6和盖板5之间且固定于穿体螺栓7，发光驱动电路板10设于固定台9上，电池盒12设于底板6中心且电连接于发光驱动电路板10，抛物面光罩13位于固定台9外侧且抛物面光罩13的凹面朝外，发光二极管11电连接于发光驱动电路板10且发光二极管11设于抛物面光罩13的凹面中的焦点位置，抛物面光罩13用于保证光束形成平行光；遮光环壁14的上下两端分别连接于盖板5和底板6的边沿，遮光环壁14中部设有用于限制光束纵向宽度的透光环窗15，以保证光束纵向宽度与感光器单元3 的直径相匹配。

信号转换模块包括放大滤波器、比较器和用于并行转串行的并转串逻辑单元。放大滤波器输入端和输出端分别电连接于感光器单元3输出端和比较器输入端，比较器输出端电连接于并转串逻辑单元输入端，并转串逻辑单元输出端电连接于数据处理模块输入端。信号转换模块通过放大滤波器对感光器单元3输出的电信号进行放大和滤波，然后输入至比较器与预设门限电平u_thd进行比较得到输出电平，将m路输出电平并行寄存于一个并转串逻辑单元，然后串行移位输出至数据处理模块的某个数据接口位，这样，数据处理模块的一个n位数据接口可读取mn个感光器单元3的光照信息，在很大程度上节省数据接口资源。比较器输出电平反映每个感光器单元3所接收光照的强度，若比较器输出高电平则判断对应的感光器单元3所接收光照的强度足够大，称该感光器单元3为受激感光器，反之则称其为未受激感光器。

数据处理模块用于根据受激感光器所在的感光器环形阵列和感光器轴向阵列的序号获得每个受激感光器坐标，从而获取液面边界椭圆方程，进而计算液面椭圆边界的长半轴a，基于a值和已知的圆柱容器1半径R值计算圆柱容器1底面与水平面的夹角即仰角，根据液面法线向量计算圆柱容器1轴线在水平面的投影方向即方位角。

本实施例中个，数据处理模块包括微处理器、显示器、扬声器和键盘，微处理器通过电连接于各个并转串逻辑单元输出端的数据接口读取调理后的每个感光管单元输出的光信息并进行倾斜角计算；显示器、扬声器和键盘均电连接于微处理器用于进行人机交互。

浮体发光式倾仰角检测器的检测方法为：

步骤1：构建感光器单元3的ID号向量集合I＝{(m,n)|m＝0,…M-1，n＝0,…N-1}，其中，N表示感光器环形阵列数量，M表示每个感光器环形阵列中感光器单元3的数量；

步骤2：读取图1中比较器输出电平矩阵U_M╳N，其元素表示为u_m,n，其中，m＝0,…M-1，n＝0,… N-1；

步骤3：构建I的子集I_active：I_active＝{(m,n)|u_m,n＝u_H,m＝0,…M-1，n＝0,…N-1},其中u_H表示高电平；

步骤4：基于I_active构建受激感光器坐标子集：C_active＝{(x_m,y_m,z_n)|(m,n)∈I_active,}；

步骤5：对C_active的每一元素进行赋值：x_m＝Rcos(2πm/M),y_m＝Rsin(2πm/M),z_n＝nd，其中R代表圆柱腔半径，d代表感光器环形阵列间距；

步骤6：基于最小二乘法求解至C_active的各元素距离平方之和最小的平面P_a的方程z＝Ax+By+C 的参数A、B和C；

步骤7：求解圆柱腔侧面与平面P_a的交线Elps的椭圆方程：

其中，R表示圆柱容器1横截面半径；

步骤8：令x＝Rcosφ，y＝Rsinφ，代入上一步z的表达式，得到z关于φ的函数式z(φ)，基于z(φ) 计算φ_H和φ_L的值：φ_H←argmax_φz(φ)，φ_L←argmin_φz(φ)；

步骤9：计算液面椭圆边界的长半轴a的值：

其中，L表示圆柱容器1长度；

步骤10：计算被测平面与水平面的夹角即仰角θ：θ←arccos(R/a)；

步骤11：计算被测平面倾斜朝向的方位角：

其中，

其中，[x_E′,y_E′,z_E′]为点E在液面上的投影E’的坐标，E为x轴正向延伸与圆柱面的交点， E和E’的坐标通过解析几何方法均可获得。

下面给出仰角和方位脚算法的具体推导过程：

如图7所示，我们将圆柱底面与水平面的夹角定义为仰角，用符号θ表示；将圆柱底面倾斜的朝向角，及轴线在水平面的投影方向定义为方位角，用符号ψ表示。

首先，如图7所示，由于简单低廉的LED的聚光特性不及激光，由光源O’发出的按照“平行光线”方案设计的光束，即使配置了抛物面聚光罩，也会在一定程度上发散，因此受到光束覆盖的感光器不一定存在于同一平面，而是聚集在液面边界附近，我们将其中受到较强光束覆盖且对应的图1所示的采集通道中放大滤波器输出电压高于预设门限u_thd的感光器称为受激感光器，其余均称为未受激感光器，如图4所示。因此，可采用最小二乘法得到一个拟合平面P_a的方程，该平面系至所有受激感光器的距离平方之和取得最小值的平面。假设受激感光器总数为I，其坐标集合为{(x_i,y_i,z_i)|i＝1,2…I}，则P_a的方程如(1.a)式表示：

z＝Ax+By+C (1.a)

其中，A、B和C通过求解现有文献D.Eberly,Least Squares Fitting of Data,Magic Software, Chapel Hill,NC,2000.提供的如(1.b)式所示的线性方程获得：

其中，坐标为(x_i,y_i,z_i)的受激感光器，若位于圆柱面的第n环形阵列中的第m个，其坐标采用公式(1.c)即可获得：

圆柱容器1侧面为圆柱面，其与拟合平面P_a的交集即图7中的液面边界，系椭圆，其方程如(2.a)式所示：

令x＝Rcosφ，y＝Rsinφ，基于(2.a)式得到(2.b)式：

z(φ)＝ARcosφ+BRsinφ+C (2.b)

将(2.b)式对φ进行求导后，令其等于零，得到如(3.a)式所示方程：

z′(φ)＝-ARsinφ+BRcosφ+C＝0 (3.a)

求解如(3.a)式所示方程，将sin²φ+cos²φ＝1代入得到关于φ的二次方程，二次方程求解存在现成公式，将解集表示为(3.b)式：

Φ＝{φ₁,φ₂} (3.b)

其中，φ₁和φ₂如(3.c)式所示：

因此，图7中A’和B’的坐标如公式4.a和4.b所示：

其中，φ_H和φ_L如(4.c)式所示：

由于系统设计所配置的水量为圆柱腔容积的一半，因此，图7中液面与轴线的交点O’的坐标始终为(0,0,L/2)，因此液面椭圆边界的长半轴a即O’至A’的距离，可采用公式(5)进行计算：

如图7所示，Q为O’在轴线上投影，在ΔO’QB’中，有cosθ＝R/a，，因此，圆柱底面与水平面的夹角θ可采用公式(6)进行计算：

基于公式(1.a)，图7中液面的法线向量n如公式(7.a)所示：

n＝[A,B,-1] (7.a)

如图7所示，x轴正向延伸与圆柱面交于点E，假设E在液面上的投影为E’，则存在向量关系式(7.b)：

其中λ为待求系数。

显然，液面法线正交于液面上的任意直线，因此，存在关系式(8)：

求解公式(8)所示关于λ的方程，得

代入公式(7)，得到

的如公式(9) 所示的表达式：

其中，

E’的坐标[x_E′,y_E′,z_E′]由此获得。

因此，方位角ψ可用公式(10.a)计算：

其中，运算符号·表示向量内积，

通过公式(10.b)获得：

基于公式(4.b)给出的B’点坐标公式，采用公式(10.c)获得：

本发明未涉及部分均与现有技术相同或采用现有技术加以实现。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.浮体发光式倾仰角检测器，其特征在于：包括信号采集模块、信号转换模块和数据处理模块；

信号采集模块，包括圆柱容器、感光器单元和发光浮体，圆柱容器内腔设有液体，发光浮体用于向各个方向发射光束，采用发光二极管作为光源，发光浮体设于圆柱容器中且浮于液面；感光器单元用于接收发光浮体发射的光束并将其转换为电信号，感光器单元在内壁圆周上形成感光器环形阵列，感光器环形阵列中的感光器单元沿圆柱容器轴向延伸至圆柱容器端面形成感光器轴向阵列；感光器单元为球形且外表面均匀分布有感光管；

信号转换模块包括放大滤波器、比较器和并转串逻辑单元；放大滤波器输入端和输出端分别电连接于感光器单元输出端和比较器输入端，比较器输出端电连接于并转串逻辑单元输入端，并转串逻辑单元输出端电连接于数据处理模块输入端；信号转换模块通过放大滤波器对感光器单元输出的电信号进行放大和滤波，然后输入至比较器与预设门限电平u_thd进行比较得到输出电平，将m路输出电平并行寄存于一个并转串逻辑单元，然后串行移位输出至数据处理模块的数据接口，这样，数据处理模块的一个n位数据接口可读取mn个感光器单元的光照信息；比较器输出电平反映每个感光器单元所接收光照的强度，若比较器输出高电平则判断对应的感光器单元所接收光照的强度大，称该感光器单元为受激感光器，反之则称其为未受激感光器；

数据处理模块用于根据受激感光器所在的感光器环形阵列和感光器轴向阵列的序号获得每个受激感光器坐标，从而获取液面边界椭圆方程，进而计算液面椭圆边界的长半轴a，基于a值和已知的圆柱容器半径R值计算圆柱容器底面与水平面的夹角即仰角，根据液面法线向量计算圆柱容器轴线在水平面的投影方向即方位角。

2.根据权利要求1所述的浮体发光式倾仰角检测器，其特征在于：发光浮体包括盖板、底板、穿体螺栓、螺母、固定台、发光驱动电路板、发光二极管、电池盒、抛物面光罩和遮光环壁；盖板位于底板上方，穿体螺栓一端连接于盖板中心并向上穿出，另一端连接于底板中心并穿出后向下延伸，螺母设于穿体螺栓的下端，螺母的作用在于依靠其重力将发光浮体置于液体中且保持水平，采用不同数量、厚度和材质的螺母可将发光浮体在液中深度调节至最合适值，以保证光束贴近液面；固定台位于底板和盖板之间且固定于穿体螺栓，发光驱动电路板设于固定台上，电池盒设于底板中心且电连接于发光驱动电路板，抛物面光罩位于固定台外侧且抛物面光罩的凹面朝外，发光二极管电连接于发光驱动电路板且发光二极管设于抛物面光罩的凹面中的焦点位置，抛物面光罩用于保证光束形成平行光；遮光环壁的上下两端分别连接于盖板和底板的边沿，遮光环壁中部设有用于限制光束纵向宽度的透光环窗，以保证光束纵向宽度与感光器单元的直径相匹配。

3.根据权利要求1所述的浮体发光式倾仰角检测器，其特征在于：数据处理模块包括微处理器、显示器、扬声器和键盘，微处理器通过电连接于各个并转串逻辑单元输出端的数据接口读取调理后的每个感光管单元输出的光信息并进行倾斜角计算；显示器、扬声器和键盘均电连接于微处理器用于进行人机交互。

4.根据权利要求1所述的浮体发光式倾仰角检测器，其特征在于：液体体积为圆柱容器容积的一半。

5.浮体发光式倾仰角检测方法，其特征在于：采用权利要求1-4任一项所述的浮体发光式倾仰角检测器，所述检测方法步骤为：

步骤1：构建感光器单元的ID号向量集合I＝{(m,n)|m＝0,…M-1，n＝0,…N-1}，其中，N表示感光器环形阵列数量，M表示每个感光器环形阵列中感光器单元的数量；

步骤2：读取图1中比较器输出电平矩阵U_M╳N，其元素表示为u_m,n，其中，m＝0,…M-1，n＝0,…N-1；

步骤3：构建I的子集I_active：I_active＝{(m,n)|u_m,n＝u_H,m＝0,…M-1，n＝0,…N-1},其中u_H表示高电平；

步骤4：基于I_active构建受激感光器坐标子集：C_active＝{(x_m,y_m,z_n)|(m,n)∈I_active,}；

步骤5：对C_active的每一元素进行赋值：x_m＝Rcos(2πm/M),y_m＝Rsin(2πm/M),z_n＝nd，其中R代表圆柱腔半径，d代表感光器环形阵列间距；

步骤6：基于最小二乘法求解至C_active的各元素距离平方之和最小的平面P_a的方程z＝Ax+By+C的参数A、B和C；

步骤7：求解圆柱腔侧面与平面P_a的交线Elps的椭圆方程：

其中，R表示圆柱容器横截面半径；

步骤8：令x＝Rcosφ，y＝Rsinφ，代入上一步z的表达式，得到z关于φ的函数式z(φ)，基于z(φ)计算φ_H和φ_L的值：φ_H←argmax_φz(φ)，φ_L←argmin_φz(φ)；

步骤9：计算液面椭圆边界的长半轴a的值：

其中，L表示圆柱容器1长度；

步骤10：计算被测平面与水平面的夹角即仰角θ：θ←arccos(R/a)；

步骤11：计算被测平面倾斜朝向的方位角：

其中，

其中，[x_E′,y_E′,z_E′]为点E在液面上的投影E’的坐标，E为x轴正向延伸与圆柱面的交点，E和E’的坐标通过解析几何方法均可获得。

Images