ES3035752T3 - Tilt estimation - Google Patents

Abstract

Un dispositivo de medición angular (100) incluye una base fija (106), un elemento suspendido (102) montado en la base fija (106) y un sensor de posición angular (104) acoplado operativamente al elemento suspendido (102). El elemento suspendido (102) puede oscilar con respecto a la base fija (106). El sensor de posición angular (104) mide el desplazamiento angular del elemento suspendido (102) desde una posición neutra con respecto a la base fija (106). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Estimación de inclinación

Antecedentes

Dispositivos, tales como automóviles, robots, drones, etc., son capaces de viajar a altas velocidades. Estos dispositivos pueden tener que viajar a altas velocidades en distintas orientaciones. En diferentes situaciones, puede ser necesario estimar los parámetros de orientación de los dispositivos. Como ejemplo, existe la posibilidad de que un cuerpo, tal como un vehículo de dos ruedas, pueda volcar si la orientación del cuerpo, tal como el ángulo de inclinación, está por encima de un límite permisible. Tal regulación de la orientación puede encontrar diversas aplicaciones, tal como en el control de crucero en vehículos o en el control de crucero en curvas en vehículos de dos ruedas donde el acelerador puede regularse dependiendo del ángulo de inclinación del vehículo. Por consiguiente, los dispositivos están provistos de diferentes sistemas y mecanismos capaces de medir la orientación para estimar la orientación de los dispositivos.

Breve descripción de los dibujos

La descripción detallada se proporciona con referencia a las figuras que se acompañan. Cabe señalar que la descripción y las figuras son meramente ejemplos de la presente materia objeto y no pretenden representar la materia objeto en sí.

La FIG. 1 ilustra una vista en perspectiva de un dispositivo de medición angular, de acuerdo con un aspecto de la presente materia objeto;

la FIG. 2 ilustra una vista isométrica del dispositivo de medición angular, de conformidad con un ejemplo de la presente materia objeto;

la FIG. 3 ilustra una vista despiezada del dispositivo de medición angular, de conformidad con un ejemplo de la presente materia objeto;

la FIG. 4 ilustra una vista en perspectiva de un sistema de medición de inclinación asegurado dentro de una carcasa exterior, de conformidad con un ejemplo de la presente materia objeto;

la FIG. 5 ilustra una vista despiezada del sistema de medición de inclinación, de conformidad con un ejemplo de la presente materia objeto;

la FIG. 6 ilustra una vista en perspectiva del sistema de medición de inclinación sin la carcasa exterior, de conformidad con un ejemplo de la presente materia objeto;

la FIG. 7 ilustra una vista isométrica del sistema de medición de inclinación sin la carcasa exterior, de conformidad con un ejemplo de la presente materia objeto;

la FIG. 8 ilustra un diagrama de bloques esquemático del sistema de medición de inclinación para estimar el ángulo de inclinación del componente, de conformidad con un ejemplo de la presente materia objeto;

la FIG. 9 ilustra un método para estimar el ángulo de inclinación del componente, de conformidad con un ejemplo de la presente materia objeto;

la FIG. 10 ilustra un diagrama de bloques esquemático del sistema de medición de inclinación para estimar el ángulo de inclinación del componente, de conformidad con otro ejemplo de la presente materia objeto;

la FIG. 11 ilustra un método para estimar el ángulo de inclinación del componente, de conformidad con otra implementación de la presente materia objeto;

la FIG. 12 ilustra una vista en perspectiva de un vehículo con el sistema de medición de inclinación montado en el vehículo, de conformidad con un ejemplo de la presente materia objeto;

la FIG. 13 ilustra una vista isométrica del vehículo con el sistema de medición de inclinación montado en el vehículo, de conformidad con un ejemplo de la presente materia objeto;

la FIG. 14 ilustra un gráfico que representa los errores asociados a la determinación del ángulo de inclinación del componente, de conformidad con un ejemplo de la presente materia objeto;

la FIG. 15 ilustra un gráfico que representa los valores del ángulo de inclinación del componente con el sistema de medición de inclinación montado en el vehículo a variadas alturas desde la superficie de suelo, de conformidad con un ejemplo de la presente materia objeto;

la FIG. 16 ilustra un gráfico que representa los valores del desplazamiento angular del elemento suspendido cuando el elemento suspendido se proporciona con y sin amortiguación predeterminada, de conformidad con un ejemplo de la presente materia objeto.

A lo largo de los dibujos, números de referencia idénticos designan elementos similares, pero pueden no designar elementos idénticos. Las figuras no están necesariamente a escala y el tamaño de ciertas partes puede estar exagerado para ilustrar más claramente el ejemplo mostrado. Es más, los dibujos proporcionan ejemplos y/o implementaciones consistentes con la descripción; sin embargo, la descripción no se limita a los ejemplos y/o implementaciones proporcionados en los dibujos.

Descripción detallada

La estimación rigurosa de la orientación de un cuerpo, tal como un sistema mecánico, es relevante para los sistemas de control para usar en los sistemas mecánicos, tales como automóviles, dispositivos robóticos y otras máquinas. Por ejemplo, para desarrollar sistemas de asistencia al conductor en el control de estabilidad de vehículos para automóviles o para controlar el movimiento de articulaciones robóticas, debe confirmarse la medición del ángulo de orientación con respecto a un marco de referencia. Se conocen diversas técnicas convencionales para determinar la orientación de tales sistemas.

En una de las técnicas, se usan codificadores para medir el ángulo de articulación de los dispositivos robóticos. Sin embargo, tales técnicas de medición son eficaces para robots que están totalmente accionados y están fijados para no ser trasladados de su posición, por ejemplo, brazos de robot usados en líneas de ensamblaje. Para robots móviles o poco accionados, la orientación del robot con respecto a un marco, tal como un marco de suelo, es necesaria. Sin embargo, los codificadores no son eficaces para medir los ángulos de articulación de los robots móviles. Además, en el documento US20060168833A1 se divulga un sensor de inclinación para determinar la inclinación de un dispositivo. El sensor de inclinación comprende un imán y un péndulo y está estructurado para detectar cambios en las direcciones de campo magnético causados debido a cambios en la posición del péndulo por el uso de un elemento Hall. Por otro lado, el uso de filtros de Kalman en una IMU basada en MEMS para la medición de inclinación se divulga en GUI PENGFEI ET AL.: "MEMS based IMU for tilting measurement: Comparison of complementary and kalman filter based data fusion", "2015 IEEE 10TH CONFERENCE ON INDUSTRIAL ELECTRONICS AND APPLICATIONS (ICIEA), IEEE, 15 de junio de 2015 (2015-06-15), páginas 2004-2009".

En otras técnicas, se despliegan una variedad de sensores para medir diversos parámetros de orientación. Como ejemplo, sensores giroscópicos para medir la rotación del cuerpo, acelerómetros para medir una componente de la aceleración debida a la gravedad a lo largo de diferentes ejes o, para tales fines, se usa un sensor de unidad de medición inercial (IMU). Una IMU de seis ejes consiste en un sensor giroscópico de 3 ejes y un acelerómetro de 3 ejes. El sensor IMU se usa para medir los ángulos de balanceo, guiñada y cabeceo del cuerpo combinando mediciones giroscópicas y mediciones de acelerómetros. El sensor giroscópico de 3 ejes mide la tasa de rotación a lo largo de cada uno de los tres ejes principales que incluyen los ejes x, y y z que son perpendiculares entre sí. Los ángulos de rotación del cuerpo, que indican el valor de inclinación, a lo largo de los tres ejes puede determinarse, a continuación, integrando las tasas de rotación con respecto al tiempo. Para obtener los valores absolutos de los ángulos de rotación, deben conocerse las condiciones iniciales del cuerpo. Sin embargo, en un escenario donde un vehículo viaja a lo largo de una trayectoria curva, la condición inicial del vehículo no puede determinarse fácilmente. Además, una determinación incorrecta de la condición inicial del vehículo puede afectar adversamente a las tasas de rotación que se están confirmando. Dado que se están integrando las tasas de rotación, incluso un pequeño error de sesgo puede dar como resultado una gran desviación del valor absoluto.

Por lo demás, el acelerómetro de 3 ejes del sensor IMU puede medir también el ángulo de rotación obteniendo la aceleración debida a la gravedad a lo largo de los tres ejes principales. En el caso de condiciones estáticas, en principio, la suma vectorial de la aceleración medida por el acelerómetro a lo largo de los ejes principales debe ser igual a 1G. Sin embargo, en el caso de condiciones dinámicas, por ejemplo, cuando el acelerómetro se monta en un cuerpo que acelera o que rota, la suma vectorial a lo largo de los ejes principales del acelerómetro cambia. Como resultado, el ángulo de rotación medido por el acelerómetro no es igual al valor absoluto. Dicho de otra manera, en condiciones dinámicas, la inclinación medida usando el sensor IMU puede no ser rigurosa.

Al mismo tiempo, el sensor IMU puede usarse también para medir el ángulo de orientación del cuerpo combinando la medición giroscópica y la medición de acelerómetro. Se emplean diferentes técnicas con las que se usan conjuntamente los valores de sensor giroscópico y de acelerómetro para eliminar las deficiencias de los sensores individuales. Como ejemplo, un filtro complementario puede usar valores de tasa angular, confirmados por el sensor giroscópico, para obtener la respuesta dinámica a corto plazo. Además, la medición angular, confirmada por los acelerómetros, puede usarse para corregir el error de deriva que se produce con el tiempo. Sin embargo, en sistemas mecánicos que tienen un alto nivel de vibraciones, por ejemplo, automóviles, los datos de acelerómetro pueden incluir un alto nivel de ruido, lo que puede dar como resultado una estimación no rigurosa de la orientación del cuerpo.

Otra técnica convencional para estimar la orientación de los sistemas, particularmente, para vehículos, implica usar múltiples entradas de un número de sensores. Por ejemplo, el mecanismo o sistema de orientación, tal como el sistema de control de crucero o el sistema de control en curvas, puede recibir entradas de sensores de balanceo, cabeceo y guiñada, los acelerómetros laterales y longitudinales, así como de sensores montados en la suspensión del vehículo. Sin embargo, tales sistemas son caros debido al gran número de sensores usados. Además, tales grandes cantidades de datos sensoriales requieren que la capacidad computacional del sistema a bordo del vehículo sea alta para poder procesar los datos.

Otras pocas técnicas convencionales implican usar una cámara para grabar una secuencia de imágenes de los alrededores del vehículo. Una o más características de los alrededores del vehículo, tal como marcas de carril, se extraen y rastrean durante un periodo de tiempo. Cualquier cambio de posición de las características en la secuencia de imágenes se usa para determinar la dirección en la que gira la cámara. El ángulo de inclinación del vehículo puede estimarse basándose en el movimiento de la cámara usando diferentes algoritmos de procesamiento de imágenes. Sin embargo, esta técnica no es adecuada en situaciones donde la cámara no puede trabajar eficazmente, por ejemplo, en ausencia de luz. Además, puede que no sea posible rastrear de forma continua una cierta característica de los alrededores del vehículo, por ejemplo, en el caso donde las características no están presentes en los alrededores del vehículo durante una cantidad de tiempo considerable. Por lo demás, las técnicas que implican el procesamiento de imágenes requieren habitualmente altos recursos computacionales y son caras.

La presente materia objeto divulga técnicas para estimar el ángulo de inclinación de un sistema mecánico. El sistema mecánico puede incluir, por ejemplo, un automóvil o un sistema robótico. De acuerdo con un aspecto, la técnica para estimar el ángulo de inclinación del sistema mecánico, como se contempla por la presente materia objeto, requiere un pequeño número de sensores y funciona eficazmente, incluso en entornos que están afectados por la vibración. Por ejemplo, la presente materia objeto puede emplearse para identificar la orientación de los robots, vehículos o drones. Por lo demás, la técnica implica el consumo de recursos computacionales considerablemente bajos para medir la orientación del cuerpo y es, por lo tanto, eficiente asimismo

De acuerdo con la presente invención, se proporcionan un sistema de medición de inclinación para estimar el ángulo de inclinación de un componente y un método para medir el ángulo de inclinación de un componente, como se establece en las reivindicaciones independientes 1 y 12 respectivamente.

De acuerdo con la presente materia objeto, un dispositivo de medición angular para medir un ángulo de inclinación incluye una base fijable y un elemento suspendido montado en la base fijable. El elemento suspendido, tal como un péndulo, puede experimentar un movimiento oscilatorio con respecto a la base fijable. El dispositivo de medición angular incluye, además, un sensor de posición angular que está acoplado de forma operativa a un árbol del elemento suspendido. Cuando el elemento suspendido presenta un movimiento oscilatorio, el sensor de posición angular mide un desplazamiento angular del árbol del elemento suspendido con respecto a la base fijable. En un ejemplo, el sensor de posición angular puede ser un potenciómetro. El potenciómetro convierte el movimiento angular del elemento suspendido en señales eléctricas que pueden ser usadas por un controlador de a bordo para determinar el ángulo de inclinación de la base fijable.

De acuerdo con dicho aspecto de la presente materia objeto, el desplazamiento angular del elemento suspendido puede medirse desde una posición neutra del elemento suspendido. Basándose en el desplazamiento angular del elemento suspendido, se puede obtener el ángulo de inclinación de la base fijable. En un ejemplo, la posición neutra del elemento suspendido es la posición de equilibrio. Dicho de otra manera, incluso en una situación donde la base fijable se inclina, el elemento suspendido intenta alinearse con la posición neutra. Por lo tanto, las condiciones iniciales del elemento suspendido pueden estimarse de forma continua. Por consiguiente, los valores absolutos del ángulo de inclinación de la base fijable pueden obtenerse fácilmente en cualquier momento particular. Por lo tanto, la presente materia objeto proporciona una estimación continua y precisa de la orientación de la base fijable.

Además, el elemento suspendido puede estar provisto de una amortiguación predeterminada. La amortiguación predeterminada anula las oscilaciones no deseables que pueden producirse debido a la inercia del elemento suspendido. Por lo demás, la amortiguación predeterminada ayuda a reducir el efecto adverso de vibraciones y ruido. Por lo tanto, la presente materia objeto proporciona una solución rentable y simplista para estimar la orientación de la base fijable que puede usarse en condiciones dinámicas sin emplear un gran número de sensores. En un ejemplo, el dispositivo de medición angular puede incluir una unidad de amortiguación para amortiguar el movimiento oscilatorio del elemento suspendido. La amortiguación ayuda, por lo demás de lo de anteriormente, a la reducción del sobreimpulso del elemento suspendido. Como resultado, disminuye el error de estimación del desplazamiento angular del elemento suspendido. Además, la unidad de amortiguación también filtra pasivamente algo de la vibración para que no se transfiera al elemento suspendido. Esto da como resultado la reducción eficazmente del ruido en las mediciones hechas por el dispositivo de medición angular.

Por lo demás, la presente materia objeto contempla un sistema de medición de inclinación que emplea el dispositivo de medición angular, descrito anteriormente, junto con un sensor de medición de tasa angular. El sensor de medición de tasa angular estima la tasa de cambio de orientación del cuerpo, por ejemplo, la tasa de cambio del ángulo de inclinación del cuerpo. Por consiguiente, la provisión del dispositivo de medición angular, así como el sensor de medición de tasa angular, permite la predicción rigurosa del ángulo de inclinación de manera eficaz. Además, la presente materia objeto también proporciona una técnica rentable para estimar la orientación del cuerpo, ya que solo pueden usarse dos sensores para predecir de forma rigurosa el ángulo de inclinación. Adicionalmente, los recursos computacionales requeridos para estimar la orientación del cuerpo son también considerablemente menos y el sistema de medición de inclinación puede emplearse en dispositivos que tienen menos espacio, tales como vehículos pequeños, incluyendo los vehículos de dos ruedas y los drones.

En un ejemplo, el sensor de medición de tasa angular puede ser un sensor giroscópico de sistemas microelectromecánicos (MEMS). El sistema de medición de inclinación incluye también una unidad de control acoplada de forma operativa al sensor de posición angular y el sensor de medición de tasa angular. La unidad de control recibe entradas desde el sensor de posición angular y el sensor de medición de tasa angular y procesa las entradas recibidas para determinar el ángulo de inclinación de un componente con respecto a un plano de referencia, por ejemplo, el suelo. Por lo demás, la presente materia objeto también contempla un vehículo que usa el sistema de medición de inclinación montado en un marco de vehículo del vehículo. Determinando el ángulo de inclinación de la base fijable, según las técnicas anteriores, la unidad de control puede determinar el ángulo de inclinación del vehículo.

La presente materia objeto se describe, además, con referencia a las figuras que se acompañan. Siempre que sea posible, se usan los mismos números de referencia en las figuras y la siguiente descripción para hacer referencia a las mismas partes o similares. Cabe señalar que la descripción y las figuras meramente ilustran principios de la presente materia objeto. Así pues, se entiende que pueden concebirse diversas disposiciones que, aunque no se muestren o describan explícitamente en el presente documento, abarcan los principios de la presente materia objeto.

La FIG. 1 ilustra una vista en perspectiva de un dispositivo de medición angular 100, de acuerdo con un aspecto de la presente materia objeto. La FIG. 2 ilustra una vista isométrica del dispositivo de medición angular 100, de acuerdo con un aspecto de la presente materia objeto. La FIG. 3 ilustra una vista despiezada del dispositivo de medición angular 100, de acuerdo con un aspecto de la presente materia objeto. En aras de la brevedad y la facilidad de entendimiento, las FIGS. 1,2 y 3 se han considerado conjuntamente entre sí.

El dispositivo de medición angular 100 para medir un ángulo de inclinación incluye un elemento suspendido 102 y un sensor de posición angular 104 acoplado de forma operativa al elemento suspendido 102. El dispositivo de medición angular 100 incluye, además, una base fijable 106 sobre la que se montan el elemento suspendido 102 y el sensor de posición angular 104. En un ejemplo, el elemento suspendido 102 y el sensor de posición angular 104 pueden montarse en la base fijable 106 usando medios de sujeción temporales, tales como sujetadores 110. En otro ejemplo, el elemento suspendido 102 y el sensor de posición angular 104 pueden montarse en la fijable usando medios de sujeción permanentes, tal como soldadura.

El elemento suspendido 102 puede experimentar movimiento oscilatorio con respecto a la base fijable 106. Como ejemplo, cuando la base fijable 106 se inclina, el elemento suspendido 102 puede experimentar oscilaciones. En un ejemplo, el elemento suspendido 102 puede ser un péndulo. En otro ejemplo, el elemento suspendido 102 puede ser un péndulo flotante. El sensor de posición angular 104 mide un desplazamiento angular del árbol del elemento suspendido 102 con respecto a la base fijable 106. El sensor de posición angular 104 se acopla con un árbol del elemento suspendido 102. En un ejemplo, el sensor de posición angular 104 puede ser un potenciómetro. El potenciómetro convierte el movimiento angular del elemento suspendido 102 en señales eléctricas que pueden ser usadas por un controlador de a bordo, tal como una unidad de control, para determinar el ángulo de inclinación de la base fijable 106. En otro ejemplo, el sensor de posición angular 104 puede ser uno de sensor de efecto Hall o un codificador.

De acuerdo con el presente aspecto, la orientación de la base fijable 106 puede estimarse sin usar un gran número de sensores. Es más, los recursos computacionales requeridos para estimar la orientación son considerablemente menos. Por consiguiente, la técnica de estimación de orientación también es rentable. Además, también puede estimarse la orientación de un dispositivo mecánico en el que se monta la base fijable 106. El dispositivo mecánico puede ser un robot, un dron, un automóvil, etc.

De acuerdo con la presente materia objeto, el desplazamiento angular del elemento suspendido 102 puede medirse desde una posición neutra del elemento suspendido 102. Basándose en el desplazamiento angular del elemento suspendido 102, se puede obtener el ángulo de inclinación de la base fijable 106. En un ejemplo, la posición neutra del elemento suspendido 102 es la posición de equilibrio. Cuando el elemento suspendido 102 es un péndulo, la posición neutra del elemento suspendido 102 será su punto más bajo. El elemento suspendido 102 está sesgado hacia la posición neutra. Dicho de otra manera, incluso en una situación donde la base fijable 106 se inclina, el elemento suspendido 102 intenta alinearse con la posición neutra. Por lo tanto, las condiciones iniciales del elemento suspendido 102 pueden estimarse de forma continua. Por consiguiente, los valores absolutos del ángulo de inclinación de la base fijable 106 pueden obtenerse fácilmente en cualquier momento particular. Por lo tanto, la presente materia objeto proporciona una estimación continua y precisa de la orientación de la base fijable 106. En un ejemplo, el elemento suspendido 102 puede incluir dos péndulos. En otro ejemplo, el elemento suspendido 102 puede ser un péndulo doble.

Además, el elemento suspendido 102 puede estar provisto de una amortiguación predeterminada. Proporcionando amortiguación predeterminada al elemento suspendido 102, pueden anularse las oscilaciones no deseables que pueden producirse debido a la inercia del elemento suspendido 102. Por lo demás, la amortiguación predeterminada ayuda a reducir el efecto adverso de vibraciones y ruido. Por lo tanto, la presente materia objeto proporciona una solución rentable y simplista para estimar la orientación de la base fijable que puede usarse en condiciones dinámicas.

En un ejemplo, el dispositivo de medición angular 100 puede incluir una unidad de amortiguación 108. La unidad de amortiguación 108 amortigua el movimiento oscilatorio del elemento suspendido 102. La unidad de amortiguación 108 puede proporcionarse en forma de tornillo de amortiguación. La unidad de amortiguación 108 puede insertarse en una abertura proporcionada en la base fijable 106. La unidad de amortiguación 108 está posicionada de tal manera que está orientada radialmente hacia fuera del árbol del péndulo. La unidad de amortiguación 108 puede insertarse en el orificio proporcionado en la base fijable 106. El orificio puede incluir roscas. La unidad de amortiguación 108 puede incluir un pomo y un cepillo. El cepillo está en contacto con el árbol del elemento suspendido 102. Rotando el pomo de la unidad de amortiguación 108, la fuerza aplicada por la unidad de amortiguación 108 en el árbol del elemento suspendido 102 se puede variar. Por consiguiente, se puede variar la amortiguación del elemento suspendido 102.

La amortiguación ayuda, por lo demás de lo de anteriormente, a reducir el sobreimpulso del elemento suspendido 102. Como resultado, disminuye el error de estimación del desplazamiento angular del elemento suspendido 102. Además, la unidad de amortiguación 108 también filtra pasivamente algo de la vibración para que no se transfiera al elemento suspendido 102. Esto da como resultado la reducción eficazmente del ruido en las mediciones hechas por el dispositivo de medición angular 100.

Por lo demás, la presente materia objeto contempla un sistema de medición de inclinación 200 que emplea el dispositivo de medición angular 100, descrito anteriormente, junto con un sensor de medición de tasa angular 204. La FIG. 4 ilustra una vista en perspectiva del sistema de medición de inclinación 200 asegurado dentro de una carcasa exterior 202, de conformidad con un ejemplo de la presente materia objeto. La FIG. 5 ilustra una vista despiezada del sistema de medición de inclinación 200, de conformidad con un ejemplo de la presente materia objeto. La FIG. 6 ilustra una vista en perspectiva del sistema de medición de inclinación 200 sin la carcasa exterior 202, de conformidad con un ejemplo de la presente materia objeto. La FIG. 7 ilustra una vista isométrica del sistema de medición de inclinación 200 sin la carcasa exterior 202, de conformidad con un ejemplo de la presente materia objeto. En aras de la brevedad y la facilidad de entendimiento, Las FIG. 4, 5, 6 y 7 se han considerado conjuntamente entre sí.

El sistema de medición de inclinación 200 mide un ángulo de inclinación de un componente. En un ejemplo, el componente puede ser una parte de un dispositivo mecánico que tiene montado a el mismo el sistema de medición de inclinación 200. Por ejemplo, el componente puede ser una parte de un vehículo, tal como el chasis. El dispositivo de medición angular 100 puede montarse en un lado del chasis y el sensor de medición de tasa angular 204 puede montarse en otro lado del chasis. En tal caso, existe la posibilidad de que los valores medidos desde el dispositivo de medición angular 100 y el sensor de medición de tasa angular 204 sean diferentes. Por lo tanto, el dispositivo de medición angular 100 y el sensor de medición de tasa angular 204 tendrán que calibrarse. En otro ejemplo, el componente puede ser una parte del sistema de medición de inclinación 200. Como ejemplo, el componente puede ser una placa base 208 en la que se montan el dispositivo de medición angular 100 y el sensor de medición de tasa angular 204. En tal caso, el dispositivo de medición angular 100 y el sensor de medición de tasa angular 204 miden el cambio de orientación del mismo elemento, es decir, la placa base 208. Por lo tanto, no es necesario calibrar los sensores.

El sistema de medición de inclinación 200 incluye una carcasa exterior 202 montada sobre una placa base 210. La carcasa exterior 202 restringe el acceso de elementos no deseados, tal como humedad. La base fijable 106 se monta en el componente. En un ejemplo, la base fijable 106 y el componente están vinculados permanentemente entre sí usando diferentes técnicas de unión, tal como soldadura. En otro ejemplo, la base fijable 106 puede montarse fijamente en el componente usando medios de sujeción temporales, tales como sujetadores 110.

El sensor de medición de tasa angular 204 se monta en el componente. El sensor de medición de tasa angular 204 mide tasa de cambio de orientación del componente. En un ejemplo, el sensor de medición de tasa angular 204 puede ser un sensor giroscópico de sistemas microelectromecánicos (MEMS). El sistema de medición de inclinación 200 incluye, además, una unidad de control 206 acoplada de forma operativa al sensor de medición de tasa angular 204 y el sensor de posición angular 104. La unidad de control 206 recibe entradas desde el sensor de posición angular 104 y el sensor de medición de tasa angular 204 y, a continuación, procesa las entradas recibidas para estimar el ángulo de inclinación del componente con respecto a un plano de referencia, por ejemplo, el suelo. Por lo tanto, el ángulo de inclinación del componente puede estimarse usando solo 2 sensores. Es más, los recursos computacionales requeridos para estimar la orientación son considerablemente menos. Por consiguiente, la técnica de estimación de orientación también es rentable. Además, también puede estimarse la orientación de un dispositivo mecánico en el que se monta el sistema de medición de inclinación 200. El dispositivo mecánico puede ser un robot, un dron, un automóvil, etc.

En un ejemplo, la unidad de control 206 puede implementarse como un microcontrolador, un microordenador y/o cualquier otro dispositivo que manipula señales basándose en instrucciones operativas. De acuerdo con dicha realización, la unidad de control 206 puede incluir un procesador y una memoria de dispositivo. El procesador puede ser una única unidad de procesamiento o un número de unidades, todas las cuales podrían incluir múltiples unidades de computación. El procesador puede implementarse como uno o más microprocesadores, microordenadores, microcontroladores, procesadores de señales digitales, unidades de procesamiento central, máquinas de estado, circuitos lógicos y/o cualesquiera dispositivos que manipulan señales, basándose en las instrucciones operativas. Entre otras capacidades, el(los) procesador(es) se proporciona(n) para recuperar y ejecutar instrucciones legibles por ordenador almacenadas en la memoria de dispositivo. La memoria de dispositivo puede estar acoplada al procesador y puede incluir cualquier medio legible por ordenador conocido en la técnica, incluyendo, por ejemplo, la memoria volátil, tales como la memoria estática de acceso aleatorio (SRAM) y la memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM) y/o la memoria no volátil, tales como la memoria de solo lectura (ROM), ROM programable borrable, memorias flash, discos duros, discos ópticos y cintas magnéticas.

La FIG. 8 ilustra un diagrama de bloques esquemático del sistema de medición de inclinación 200 para estimar el ángulo de inclinación del componente, de conformidad con un ejemplo de la presente materia objeto. El sensor de posición angular 104 mide el desplazamiento angular del elemento suspendido 102 desde la posición neutra con respecto a la base fijable 106. El sensor de medición de tasa angular 204 mide la tasa de cambio de orientación del componente. La unidad de control 206 recibe entradas desde el sensor de posición angular 104 y el sensor de medición de tasa angular 204. Basándose en las entradas recibidas, la unidad de control 206 estima el ángulo de inclinación del componente con respecto a un plano de referencia, por ejemplo, el suelo.

La FIG. 9 ilustra un método 300 para estimar el ángulo de inclinación del componente, de conformidad con una implementación de la presente materia objeto. Haciendo referencia al bloque 302, el sensor de posición angular 104 y el sensor de medición de tasa angular 204 detectan que el componente se ha inclinado desde su posición original. El sensor de posición angular 104 mide el desplazamiento angular del elemento suspendido 102 desde la posición neutra con respecto a la base fijable 106. El sensor de medición de tasa angular 204 mide la tasa de cambio de orientación del componente. En el bloque 304, la unidad de control 206 recibe un primer conjunto de entradas, basándose en el desplazamiento del elemento suspendido 102 con respecto a la base fijable 106, desde el sensor de posición angular 104. En el bloque 306, la unidad de control 206 recibe un segundo conjunto de entradas, basándose en la tasa de cambio de orientación del componente, desde el sensor de medición de tasa angular 204. Basándose en las entradas recibidas, la unidad de control 206 estima el ángulo de inclinación del componente con respecto a un plano de referencia, por ejemplo, el suelo.

Sin embargo, es posible que los datos transmitidos por el sensor de posición angular 104 y el sensor de medición de tasa angular 204 sean diferentes de los valores reales debido a vibraciones y ruido. Dicho de otra manera, las entradas recibidas desde el sensor de posición angular 104 y el sensor de medición de tasa angular 204 pueden incluir errores. Para computar los valores reales, la unidad de control 206 puede emplear diferentes algoritmos de fusión de sensores para procesar los datos recibidos desde el sensor de posición angular 104 y el sensor de medición de tasa angular 204. Como ejemplo, la unidad de control 206 puede emplear el algoritmo de filtro bayesiano o el algoritmo de filtro de fusión para procesar el primer y segundo conjuntos de entrada.

La unidad de control 206 acondiciona el primer conjunto de entradas y el segundo conjunto de entradas recibidas. En el bloque 308, la unidad de control 206 estima el error asociado con el primer conjunto de entradas usando cualquier algoritmo de fusión de sensores. En el bloque 310, la unidad de control 206 emplea el algoritmo de fusión de sensores para estimar el error asociado con el segundo conjunto de entradas. En el bloque 312, la unidad de control 206 elimina los errores estimados para obtener una salida fusionada usando los algoritmos de fusión de sensores. En el bloque 314, la unidad de control 206 calcula el ángulo de inclinación del componente con respecto a un plano de referencia basándose en la salida fusionada.

La FIG. 10 ilustra un diagrama de bloques esquemático de un sistema de medición de inclinación 200 para estimar el ángulo de inclinación de un componente, de conformidad con otro ejemplo de la presente materia objeto. En aplicaciones altamente precisas, el sistema de medición de inclinación 200 puede incluir también un sensor de acelerómetro 400 acoplado de forma operativa a la unidad de control 206. El sensor de acelerómetro 400 mide el ángulo de inclinación midiendo la componente de la aceleración debida a la gravedad a lo largo de diferentes ejes. La unidad de control 206 recibe un tercer conjunto de entradas desde el sensor de acelerómetro 400. Además, la unidad de control 206 puede estimar el ángulo de inclinación del componente usando al menos uno del primer, segundo o tercer conjuntos de entradas. Usando un tercer sensor para estimar el ángulo de inclinación, aumentan el coste y los recursos computacionales requeridos para procesar los datos recibidos desde los tres sensores. Sin embargo, el tercer sensor, es decir, el sensor de acelerómetro 400, solo se usa en situaciones que requieren una estimación altamente rigurosa del ángulo de inclinación.

La FIG. 11 ilustra un método 500 para estimar el ángulo de inclinación del componente, de conformidad con otra implementación de la presente materia objeto. En un ejemplo, el sistema de medición de inclinación 200 puede incluir el sensor de acelerómetro 400. Haciendo referencia al bloque 502, el sensor de posición angular 104, el sensor de medición de tasa angular 204 y el sensor de acelerómetro (400) detectan que el componente se ha inclinado desde su posición original. El sensor de posición angular 104 mide el desplazamiento angular del elemento suspendido 102 desde la posición neutra con respecto a la base fijable 106. El sensor de medición de tasa angular 204 mide la tasa de cambio de orientación del componente. El sensor de acelerómetro 400 mide la componente de la aceleración debida a la gravedad a lo largo de diferentes ejes.

En el bloque 504, la unidad de control 206 recibe un primer conjunto de entradas, basándose en el desplazamiento del elemento suspendido 102 con respecto a la base fijable 106, desde el sensor de posición angular 104. En el bloque 506, la unidad de control 206 recibe un segundo conjunto de entradas, basándose en la tasa de cambio de orientación del componente, desde el sensor de medición de tasa angular 204. En el bloque 508, la unidad de control 206 recibe un tercer conjunto de entradas, basándose en la componente de la aceleración debida a la gravedad a lo largo de diferentes ejes, desde el sensor de acelerómetro 400. Basándose en las entradas recibidas, la unidad de control 206 estima el ángulo de inclinación del componente con respecto a un plano de referencia, por ejemplo, el suelo.

Sin embargo, es posible que los datos transmitidos por el sensor de posición angular 104, el sensor de medición de tasa angular 204 y el sensor de acelerómetro 400 puedan incluir errores debido a vibraciones y ruido. La unidad de control 206 puede emplear diferentes algoritmos de fusión de sensores, tal como el algoritmo de filtro bayesiano o el algoritmo de filtro de fusión, para procesar el primer, segundo y tercer conjuntos de entradas para procesar los datos recibidos desde los sensores. La unidad de control 206 procesa y acondiciona el primer conjunto y tercer conjunto de entradas usando el algoritmo de fusión de sensores.

En el bloque 510, la unidad de control 206, empleando el algoritmo de fusión de sensores, estima el error asociado con el primer conjunto de entradas. En el bloque 512, la unidad de control 206, empleando el algoritmo de fusión de sensores, estima el error asociado con el segundo conjunto de entradas. En el bloque 514, la unidad de control 206, empleando el algoritmo de fusión de sensores, estima el error asociado con el tercer conjunto de entradas. En el bloque 516, la unidad de control 206 obtiene una salida fusionada eliminando los errores asociados con el primer, segundo y tercer conjuntos de entradas. En el bloque 518, basándose en la salida fusionada, la unidad de control 206 estima el ángulo de inclinación del componente con respecto a un plano de referencia, por ejemplo, el suelo.

El método 300, 500 puede describirse en el contexto general de las instrucciones ejecutables por ordenador. Generalmente, las instrucciones ejecutables por ordenador pueden incluir rutinas, programas, objetos, componentes, estructuras de datos, procedimientos, motores, funciones, etc., que realizan funciones particulares o emplean tipos de datos abstractos particulares. Los métodos 300, 500 también pueden practicarse en un entorno de computación distribuido donde las funciones son realizadas por dispositivos de procesamiento remotos que están enlazados a través de una red de comunicaciones. En un entorno de computación distribuido, las instrucciones ejecutables por ordenador pueden ubicarse en medios de almacenamiento por ordenador tanto locales como remotos, incluyendo los dispositivos de almacenamiento de memoria.

El orden en el que se describen los métodos 300, 500 no debe considerarse como una limitación y un número de los bloques de métodos descritos pueden combinarse en cualquier orden o pueden realizarse en paralelo para emplear los métodos 300, 500 o un método alternativo. Adicionalmente, los bloques individuales pueden eliminarse de los métodos 300, 500 sin apartarse del espíritu y alcance de la materia objeto descrita en el presente documento. Por otro lado, los métodos 300, 500 pueden emplearse en cualesquiera hardware, software, firmware adecuados o una combinación de los mismos. Los métodos 300, 500 se explican con referencia al sistema de medición de inclinación 200, sin embargo, los métodos 300, 500 pueden emplearse, asimismo, en otros sistemas que entran en el concepto inventivo único.

La FIG. 12 ilustra una vista en perspectiva de un vehículo 600 que tiene el sistema de medición de inclinación 200 montado en el mismo, de conformidad con un ejemplo de la presente materia objeto, mientras que la FIG. 13 ilustra una vista isométrica del vehículo 600. En aras de la brevedad y la facilidad de entendimiento, las FIGS. 12 y 13 se han considerado conjuntamente entre sí.

El vehículo 600 incluye un marco de vehículo 602, un tubo de pivote 604, una suspensión delantera 606, una rueda delantera 608, una barra de manillar 610, una suspensión trasera 612 y una rueda trasera 614. Determinando el ángulo de inclinación del componente, según las técnicas anteriores, la unidad de control 206 puede determinar el ángulo de inclinación del vehículo 600. En un ejemplo, el sistema de medición de inclinación 200 se ubica a una distancia de 400 milímetros (mm) a 900 mm desde la superficie de suelo. El eje del árbol del elemento suspendido está alineado con el eje del vehículo 600 a lo largo del que debe medirse la inclinación. De acuerdo con un ejemplo, el elemento suspendido 102 puede tener una masa de entre 50 y 500 gramos y una longitud de 2 mm a 50 mm. El sistema de medición de inclinación 200 puede montarse en la posición más superior del dispositivo, tal como el vehículo 600.

La FIG. 14 ilustra un gráfico que representa los errores asociados a la determinación del ángulo de inclinación del componente. Como se ha descrito anteriormente, las entradas recibidas desde el sensor de posición angular 104 y el sensor de medición de tasa angular 204 pueden incluir errores debido a vibraciones y ruido. La línea 702 representa el ángulo de inclinación del componente estimado basándose en las entradas recibidas desde el sensor de posición angular 104. La línea 704 representa el ángulo de inclinación del componente estimado basándose en las entradas recibidas desde el sensor de medición de tasa angular 204. Como se ha descrito anteriormente, la unidad de control 206 puede emplear un algoritmo de fusión de sensores para estimar los errores asociados con las entradas recibidas desde los sensores. Además, la unidad de control 206 obtiene una salida fusionada después de eliminar los errores asociados con las entradas recibidas. La unidad de control 206 estima el ángulo de inclinación del componente basándose en la salida fusionada obtenida.

La FIG. 15 ilustra un gráfico que representa los valores variados del ángulo de inclinación del componente con el sistema de medición de inclinación 200 montado en el vehículo 600 a variadas alturas desde el suelo. En un ejemplo, el sistema de medición de inclinación 200 incluye un elemento suspendido 102 que tiene una masa de 500 gramos. La línea 802 representa el valor real del ángulo de inclinación del componente. La línea 804 representa el ángulo de inclinación del componente cuando el sistema de medición de inclinación 200 se monta a una altura de 500 mm desde el suelo. La línea 806 representa el ángulo de inclinación del componente cuando el sistema de medición de inclinación 200 se monta a una altura de 300 mm desde el suelo. La línea 808 representa el ángulo de inclinación del componente cuando el sistema de medición de inclinación 200 se monta a una altura de 200 mm desde el suelo. La línea 810 representa el ángulo de inclinación del componente cuando el sistema de medición de inclinación 200 se monta a una altura de 100 mm desde el suelo. Como se representa en el gráfico, la diferencia entre el valor estimado del ángulo de inclinación del componente y el valor real disminuye a medida que aumenta la altura del sistema de medición de inclinación 200 desde el suelo. Por lo tanto, la presente materia objeto también contempla que cuando el sistema de medición de inclinación 200 o al menos el dispositivo de medición angular 100 se monta en el vehículo 600 para estar a una distancia de 400 mm a 900 mm desde la superficie de suelo, se optimiza el rendimiento del sistema de medición de inclinación 200 y/o el dispositivo de medición angular 100.

La FIG. 16 representa un gráfico que ilustra la diferencia entre el desplazamiento angular del elemento suspendido 102 cuando el elemento suspendido 102 se proporciona con y sin amortiguación predeterminada, como se ha considerado anteriormente. La línea 902 representa el desplazamiento angular del elemento suspendido 102 cuando no se proporciona amortiguación predeterminada al elemento suspendido 102. Sin amortiguación, el desplazamiento angular del elemento suspendido 102 puede estar afectado debido a oscilaciones no deseables que pueden producirse debido a la inercia del elemento suspendido 102. Por lo tanto, la línea 902 no es el valor real del desplazamiento angular del elemento suspendido 102. La línea 904 representa el valor real del desplazamiento angular del elemento suspendido 102. Cuando se proporciona una amortiguación predeterminada al elemento suspendido 102, pueden anularse los efectos no deseables causados debido a la inercia del elemento suspendido 102. También, amortiguando el elemento suspendido 102, pueden eliminarse los efectos adversos de vibraciones y ruido. Por lo tanto, se proporciona una amortiguación predeterminada al elemento suspendido, de modo que el valor obtenido se ajusta sustancialmente al valor real del desplazamiento angular del elemento suspendido. Por consiguiente, el ángulo de inclinación de la base fijable 106 o el componente puede determinarse basándose en el valor real del desplazamiento angular del elemento suspendido 102 y, por ende, puede determinarse de forma rigurosa, como ejemplo, a pesar de la presencia de vibraciones en el sistema mecánico.

Diversas modificaciones de las realizaciones divulgadas, así como realizaciones alternativas de la materia objeto reivindicada, resultarán evidentes para los expertos en la técnica al hacer referencia a la descripción de la materia objeto. Por lo tanto, se contempla que tales modificaciones se puedan hacer sin apartarse del alcance de la presente invención como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de medición de inclinación (200) para estimar el ángulo de inclinación de un componente, comprendiendo el sistema de medición de inclinación (200):

un dispositivo de medición angular (100) que comprende:

una base fijable (106) montada en el componente;

un elemento suspendido (102) montado en la base fijable (106), en donde

el elemento suspendido (102) es capaz de presentar movimiento oscilatorio con respecto a la base fijable (106); y un sensor de posición angular (104) acoplado de forma operativa al elemento suspendido (102) para medir un desplazamiento angular del elemento suspendido (102) desde una posición neutra del elemento suspendido (102) medida con respecto a la base fijable (106);

estando el sistema de inclinacióncaracterizado por quecomprende:

un sensor de medición de tasa angular (204) montado en el componente, en donde el sensor de medición de tasa angular (204) mide la tasa de cambio de orientación del componente; y

una unidad de control (206) acoplada de forma operativa al sensor de posición angular (104) y el sensor de medición de tasa angular (204), en donde la unidad de control (206) está configurada para:

recibir un primer conjunto de entradas desde el sensor de posición angular (104);

recibir un segundo conjunto de entradas desde el sensor de medición de tasa angular (204); y estimar un ángulo de inclinación del componente con respecto a un plano de referencia, basándose en el primer conjunto de entradas y el segundo conjunto de entradas.

2. El sistema de medición de inclinación (200) según la reivindicación 1, en donde la posición neutra del elemento suspendido (102) es la posición de equilibrio.

3. El sistema de medición de inclinación (200) según la reivindicación 1, en donde el dispositivo de medición angular (100) comprende, además, una unidad de amortiguación (108) para amortiguar el movimiento oscilatorio del elemento suspendido (102).

4. El sistema de medición de inclinación (200) según la reivindicación 1, en donde el elemento suspendido (102) es un péndulo flotante.

5. El sistema de medición de inclinación (200) según la reivindicación 1, en donde el sensor de posición angular (104) es uno de un potenciómetro, un sensor óptico, un codificador y un sensor de efecto Hall.

6. El sistema de medición de inclinación (200) según la reivindicación 1, en donde la unidad de control (206) comprende, además, un filtro bayesiano, en donde el filtro bayesiano hace que la unidad de control (206):

estime un error asociado con el primer conjunto de entradas;

estime un error asociado con el segundo conjunto de entradas;

elimine los errores asociados con el primer y segundo conjuntos de entradas para obtener una salida fusionada; y estime el ángulo de inclinación del componente de conformidad con la salida fusionada.

7. El sistema de medición de inclinación (200) según la reivindicación 1, en donde la unidad de control (206) comprende, además, un filtro de fusión, en donde el filtro de fusión hace que la unidad de control (206):

estime un error asociado con el primer conjunto de entradas;

estime un error asociado con el segundo conjunto de entradas;

elimine los errores asociados con el primer y segundo conjuntos de entradas para obtener una salida fusionada; y estime el ángulo de inclinación del componente de conformidad con la salida fusionada.

8. El sistema de medición de inclinación (200) según la reivindicación 1, en donde el sensor de medición de tasa angular (204) es un sensor giroscópico MEMS.

9. El sistema de medición de inclinación (200) según la reivindicación 1, que comprende, además, un sensor de acelerómetro (400) acoplado de forma operativa a la unidad de control (206), en donde la unidad de control (206) es para:

recibir un tercer conjunto de entradas desde el sensor de acelerómetro (400); y

estimar el ángulo de inclinación del componente basándose en el tercer conjunto de entradas.

10. Un vehículo (600), que comprende un marco de vehículo que tiene un sistema de medición de inclinación (200) según una cualquiera de las reivindicaciones 1-9, está montado en el marco de vehículo (602).

11. El vehículo (600) según la reivindicación 10, en donde el sistema de medición de inclinación (200) se ubica a una distancia de 400 mm a 900 mm desde el suelo.

12. Un método para medir el ángulo de inclinación de un componente, comprendiendo el método:

determinar, por un sensor de posición angular (104), un desplazamiento angular de un elemento suspendido (102) acoplado de forma operativa al sensor de posición angular (104), en donde el sensor de posición angular (104) y el elemento suspendido (102) están montados en una base fijable (106) montada en el componente, estando el métodocaracterizado por quecomprende, además, las etapas de:

determinar, por un sensor de medición de tasa angular (204), la tasa de cambio de orientación de la base fijable (106);

recibir, por una unidad de control (206) acoplada de forma operativa al sensor de posición angular (104), un primer conjunto de entradas basándose en el desplazamiento angular del elemento suspendido (102);

recibir, por la unidad de control (206) acoplada de forma operativa al sensor de medición de tasa angular (204), un segundo conjunto de entradas basándose en la tasa de cambio de orientación del componente; y procesar, por la unidad de control (206), el primer y segundo conjuntos de entradas para estimar el ángulo de inclinación del componente con respecto a un plano de referencia.

13. El método según la reivindicación 12, comprendiendo el método:

estimar un error asociado con el primer conjunto de entradas;

estimar un error asociado con el segundo conjunto de entradas;

eliminar los errores asociados con el primer y segundo conjuntos de entradas para obtener una salida fusionada; y

estimar el ángulo de inclinación de la base fijable (106) de conformidad con la salida fusionada.

14. El método según la reivindicación 12, comprendiendo el método:

recibir un tercer conjunto de entradas desde el sensor de acelerómetro (400); y

procesar, por la unidad de control (206), el tercer conjunto de entradas para estimar el ángulo de inclinación del componente.