CN210981232U - 一种动态倾角计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种动态倾角计。所述动态倾角计包括：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；离心加速度计算器，其根据所述角速度测量值和车辆的速度计算离心加速度；离心加速度补偿器，其根据所述离心加速度计算器得到的离心加速度对加速度计得到的加速度测量值进行补偿，并得到补偿后的加速度测量值；卡尔曼滤波器，根据所述角速度测量值和补偿后的加速度测量值计算倾角。本实用新型通过引入车辆的速度，可以有效估计并补偿离心加速度，消除离心加速度长期存在导致的倾角测量误差，有效提高了动态倾角测量性能。

Description

一种动态倾角计

【技术领域】

本实用新型涉及动态倾角计领域，尤其是涉及一种具有离心加速度补偿的动态倾角计。

【背景技术】

现有技术中，动态倾角计利用陀螺仪和加速度计融合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。对于运动的载体，加速度计测量中除了重力加速度外，还包括线加速度，从而导致倾角测量出现误差。通过融合陀螺仪和加速度计数据，可以在载体存在短期加减速和振动的情况下，完成动态倾角测量。

但是，对于持续进行转动的载体，加速度计测量中还将包含持续的离心加速度。当离心加速度长期存在时，则无法利用陀螺仪短时间积分精度较高的特性对其进行补偿。

因此，有必要提供一种新的改进方案来克服上述问题。

【实用新型内容】

本实用新型要解决的技术问题在于提供一种动态倾角计，其可以有效估计并补偿离心加速度，消除离心加速度长期存在导致的倾角测量误差，有效提高了动态倾角测量性能。

为了解决上述问题，根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供一种动态倾角计，其包括：能够测量角速度以得到角速度测量值的陀螺仪；能够测量加速度以得到加速度测量值的加速度计；根据所述角速度测量值和车辆的速度计算离心加速度的离心加速度计算器，其与所述陀螺仪相连；根据所述离心加速度计算器得到的离心加速度对加速度计得到的加速度测量值进行补偿，并得到补偿后的加速度测量值的离心加速度补偿器，其与所述加速度计相连，也与所述离心加速度计算器相连；根据所述角速度测量值和补偿后的加速度测量值计算倾角的卡尔曼滤波器，其与所述陀螺仪相连，也与所述离心加速度补偿器相连。

与现有技术相比，本实用新型通过引入车辆的速度，可以有效估计并补偿离心加速度，消除离心加速度长期存在导致的倾角测量误差，有效提高了动态倾角测量性能。此外，本实用新型充分利用车辆内置的里程计，不需要增加额外的硬件设备，增加动态倾角测量可靠性的同时，不增加车辆的成本和复杂性。

关于本实用新型的其他目的，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，本实用新型将更容易理解，其中同样的附图标记对应同样的结构部件，其中：

图1为本实用新型中的动态倾角计在一个实施例中的结构框示意图；

图2为离心加速度产生的原理示意图；

图3为本实用新型中的动态倾角计在另一个实施例中的结构框示意图；

图4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5为采用现有技术中的线加速度检测方法检测图4所示情形下的动态倾角计得到的线加速度波形示意图；

图6为采用本实用新型中的线加速度检测方法检测图4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】

为使本实用新型的上述目的、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实用新型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实用新型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。本实用新型中的“多个”、“若干”表示两个或两个以上。本实用新型中的“和/或”表示“和”或者“或”。

本实用新型提出了一种用于车辆的具有离心加速度补偿的动态倾角计，其通过引入车辆的速度，可以有效估计并补偿离心加速度，消除离心加速度长期存在导致的倾角测量误差，有效提高了动态倾角测量性能。图2为离心加速度产生的原理示意图。

图1为本实用新型中的动态倾角计100在一个实施例中的结构框示意图，所述动态倾角计100用于车辆中。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、卡尔曼滤波器140、CAN总线接口150、离心加速度计算器160和离心加速度补偿器170。所述动态倾角计100可以通过CAN总线接口150与所述上位机200通讯，所述上位机200为车辆内的上位机。

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可以包含重力加速度，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，在其他情况下，所述加速度测量值中也可以包括离心加速度。

所述离心加速度计算器160根据所述角速度测量值和车辆的速度计算离心加速度。其中所述车辆的速度是所述CAN总线接口150从上位机200处获得，所述车辆的速度可以产生于车辆上的里程计。所述离心加速度补偿器170根据所述离心加速度计算器160计算得到的离心加速度对加速度计120得到的加速度测量值进行补偿，并得到补偿后的加速度测量值。所述卡尔曼滤波器根据所述角速度测量值和补偿后的加速度测量值计算倾角。所述CAN总线接口150将计算得到倾角上传给所述上位机200。这样，当车辆存在长期的离心加速度时，该动态倾角计100仍能保持可靠的动态倾角输出。

综上所述的，本实用新型通过引入车辆的速度，可以有效估计并补偿离心加速度，消除离心加速度长期存在导致的倾角测量误差，有效提高了动态倾角测量性能。此外，也充分利用车辆内置的里程计，不需要增加额外的硬件设备，增加动态倾角测量可靠性的同时，不增加车辆的成本和复杂性。

此外，在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140中补偿后的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，可以在补偿离心加速度的同时，进一步的还可以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3为本实用新型中的动态倾角计100在另一个实施例中的结构框示意图。如图3所示的，相对于图1中的动态倾角计100，所述动态倾角计100还包括线加速度检测器130，其余结构不变。

所述线加速度检测器130根据陀螺仪110得到的角速度测量值和重力加速度120得到的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。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4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5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5为采用现有技术中的线加速度检测方法检测图4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)，如果采用本实用新型中的检测方法来检测线加速度，如图6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6为采用本实用新型中的线加速度检测方法检测图4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补偿后的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补偿后的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、补偿后的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、补偿后的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，第二组权重中补偿后的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，第二组权重中的补偿后的加速度测量值的权重则固定为预定值，不在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，本实用新型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补偿后的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。

在本实用新型中，“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实用新型的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本实用新型的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本实用新型的权利要求书的范围。相应地，本实用新型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 (3)

1.一种动态倾角计，其特征在于，其包括：

能够测量角速度以得到角速度测量值的陀螺仪；

能够测量加速度以得到加速度测量值的加速度计；

根据所述角速度测量值和车辆的速度计算离心加速度的离心加速度计算器，其与所述陀螺仪相连；

根据所述离心加速度计算器得到的离心加速度对加速度计得到的加速度测量值进行补偿，并得到补偿后的加速度测量值的离心加速度补偿器，其与所述加速度计相连，也与所述离心加速度计算器相连；

根据所述角速度测量值和补偿后的加速度测量值计算倾角的卡尔曼滤波器，其与所述陀螺仪相连，也与所述离心加速度补偿器相连。

2.根据权利要求1所述的动态倾角计，其特征在于，其还包括：

总线接口，其用于从上位机处获得车辆的速度，并将获得的车辆的速度提供给所述离心加速度计算器，还用于将所述卡尔曼滤波器得到的倾角传送给上位机。

3.根据权利要求1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。

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