RU2382986C2 - Method and system for measurement of slopes for positioning of objects - Google Patents
Method and system for measurement of slopes for positioning of objects Download PDFInfo
- Publication number
- RU2382986C2 RU2382986C2 RU2008114901/28A RU2008114901A RU2382986C2 RU 2382986 C2 RU2382986 C2 RU 2382986C2 RU 2008114901/28 A RU2008114901/28 A RU 2008114901/28A RU 2008114901 A RU2008114901 A RU 2008114901A RU 2382986 C2 RU2382986 C2 RU 2382986C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- acceleration
- range
- angles
- measurement
- measured
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к системам позиционирования и устройствам для определения углов наклона объектов и оборудования на производстве и в быту относительно местного горизонта.The invention relates to measuring equipment, in particular to positioning systems and devices for determining the angle of inclination of objects and equipment in production and in everyday life relative to the local horizon.
Известно устройство для измерения угла наклона «Цифровой измеритель уклонов» (патент РФ №2166732, МПК 7 G01C 9/00 от 10.05.2001), содержащий корпус с рабочей поверхностью, установленный внутри корпуса преобразователь силы в электрический сигнал с электронной схемой преобразования сигнала, при этом снаружи на корпусе установлены переключатель координат измерения, выполненный с возможностью механического переключения режимов измерения, и жидкокристаллический индикатор, выполненный с возможностью одновременной индикации направления и величины уклона по любой из двух геометрических осей симметрии корпуса в плоскости его рабочей поверхности, а преобразователь силы в электрический сигнал выполнен в виде двухкоординатного измерителя ускорения силы тяжести, закрепленного внутри корпуса с обратной стороны его рабочей поверхности, при этом переключатель координат измерения, жидкокристаллический индикатор и двухкоординатный измеритель ускорения силы тяжести подключены к электронной схеме преобразования сигнала.A device for measuring the angle of inclination "Digital slope meter" (RF patent No. 2166732, IPC 7
К недостаткам данного устройства относятся его ограниченные эксплуатационные возможности, заключающиеся в том, что устройство позволяет производить индикацию направления и величины уклона только по одной из двух геометрических осей симметрии корпуса. Для изменения оси измерения в данном устройстве предусмотрен переключатель координат измерения.The disadvantages of this device include its limited operational capabilities, which consists in the fact that the device allows the indication of the direction and slope of only one of the two geometric axes of symmetry of the housing. To change the axis of measurement in this device provides a switch coordinate measurement.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является «Способ измерения уклонов и цифровой измеритель для его осуществления» (патент РФ №2227899, МПК 7 G01C 9/00 от 27.04.2004). Данный способ измерения уклонов включает измерение величины проекции ускорения свободного падения на ось чувствительности преобразования величины линейного ускорения в выходной сигнал, определение положения преобразователя относительно горизонтальной плоскости или местной вертикали, по которому судят о величине уклонов. При этом измеряют величины проекций ускорения свободного падения в направлении трех взаимно ортогональных осей чувствительности к величинам линейных ускорений. Положение преобразователя относительно горизонтальной плоскости или местной вертикали определяют по величинам проекций ускорения свободного падения в направлении двух из этих осей, которые выбирают при достижении третьей осью направления заданного допустимым углом отклонения любой оси чувствительности от местной вертикали. Цифровой измеритель уклонов содержит снабженный установочным узлом корпус, в котором размещены инерционный измеритель силы тяжести с электронной схемой преобразования сигнала инерционного измерителя в визуальную информацию об уклонах, автономный источник электропитания электронной схемы. Установочный узел корпуса выполнен в виде пяти плоских установочных баз, из которых три ортогональны друг другу, две параллельны им, двух взаимно перпендикулярных призматических установочных баз, параллельных соответствующим плоским установочным базам. Инерционный измеритель ускорения силы тяжести выполнен трехкоординатным и закреплен жестко относительно установочных баз. В электронную схему преобразования сигнала измерителя введен микропроцессор с моделью погрешности определения силы тяжести.The closest analogue of the claimed invention is the "Method for measuring slopes and a digital meter for its implementation" (RF patent No. 2227899, IPC 7
Недостатком данного способа является использования дополнительного акселерометра и избыточное количество баз. Кроме этого, общим недостатком микромеханических акселерометров является зависимость их показаний от температуры и напряжения питания.The disadvantage of this method is the use of an additional accelerometer and an excessive number of bases. In addition, a common drawback of micromechanical accelerometers is the dependence of their readings on temperature and supply voltage.
Задачей, решаемой заявленной группой изобретений, является снижение затрат на производство за счет обеспечения аппаратной унификации системы позиционирования, а также повышение надежности работы, расширение эксплутационных возможностей устройства и повышение точности измерения в области измерения углов в диапазоне менее 90 угл. град.The problem solved by the claimed group of inventions is to reduce production costs by providing hardware unification of the positioning system, as well as improving the reliability of the device, expanding the operational capabilities of the device and improving the measurement accuracy in the field of measuring angles in the range of less than 90 angles. hail.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе определения уклонов, включающем измерение величины проекции ускорения силы тяжести на ось измерителя ускорения, сигнал с выхода которого, пропорциональный измеряемому углу, используют для определения угла уклона относительно горизонтальной плоскости, в зависимости от диапазона d измеряемых углов, угол уклона относительно горизонтальной плоскости в диапазоне от 0 до 45 [угл. град.] определяют какThe problem is solved due to the fact that in the method for determining slopes, including measuring the projection of the acceleration of gravity onto the axis of the acceleration meter, the output signal of which is proportional to the measured angle, is used to determine the angle of inclination relative to the horizontal plane, depending on the range d of the measured angles , the slope angle relative to the horizontal plane in the range from 0 to 45 [ang. city.] is defined as
а в диапазоне от 45 до 90 [угл. град.] угол уклона относительно горизонтальной плоскости определяют как:and in the range from 45 to 90 [ang. grad.] the angle of inclination relative to the horizontal plane is defined as:
где α, β - угол уклона относительно горизонта [угл. град.];where α, β is the angle of inclination relative to the horizon [ang. hail.];
где Uα, Uβ - величины сигналов [В], соответствующие измеряемому углу α или β и равные произведению напряжения снимаемого с двухкоординатного измерителя ускорения на коэффициент Kd диапазона измеряемых углов и вычисляемый по формуле:where U α , U β are the signal values [B] corresponding to the measured angle α or β and equal to the product of the voltage taken from the two-coordinate acceleration meter by the coefficient K d of the range of measured angles and calculated by the formula:
где 0<D≤90;where 0 <D≤90;
Kax, Kay - масштабные коэффициенты двухкоординатного измерителя ускорения [в*c2/м];K ax , K ay - scale factors of the two-coordinate acceleration meter [in * c 2 / m];
g - ускорение силы тяжести [м/с2].g is the acceleration of gravity [m / s 2 ].
Поставленная задача для системы позиционирования решается за счет того, что в системе, содержащей корпус с рабочей поверхностью и установленные внутри корпуса плату блока, на которой размещены двухкоординатные измерители ускорения, электронная схема преобразования сигнала и блок интерфейса, электронная схема преобразования сигнала выполнена в виде включенных последовательно блока операционных усилителей, в обратную связь которых включены электронные потенциометры, микроконтроллера и блока интерфейса, при этом коэффициент обратной связи операционного усилителя установлен в зависимости от диапазона измеряемых углов.The problem for the positioning system is solved due to the fact that in a system containing a housing with a working surface and a unit board installed inside the housing, on which two-axis acceleration meters, an electronic signal conversion circuit and an interface unit are placed, the electronic signal conversion circuit is made in the form of series-connected a block of operational amplifiers, the feedback of which includes electronic potentiometers, a microcontroller and an interface block, while the feedback coefficient communication operational amplifier is installed depending on the range of measured angles.
Кроме того, в предпочтительном варианте реализации изобретения плата блока системы позиционирования установлена в корпус через амортизатор.In addition, in a preferred embodiment of the invention, the positioning system unit board is installed in the housing through a shock absorber.
Техническим результатом от использования заявленных способа и системы является повышение надежности работы системы, расширение эксплутационных возможностей, обеспечение аппаратной унификации системы позиционирования путем использования одной и той же аппаратной реализации устройства для измерения разных диапазонов углов и повышение точности измерений в области измерения углов в диапазоне менее 90°.The technical result of using the claimed method and system is to increase the reliability of the system, expand operational capabilities, provide hardware unification of the positioning system by using the same hardware implementation of the device for measuring different ranges of angles, and increase the accuracy of measurements in the field of measuring angles in the range of less than 90 ° .
Обычно измерители уклонов и системы позиционирования в зависимости от назначения имеют различные диапазоны измерения - до 10, до 30, до 45, до 60, до 90 [угл. град.] и для каждого случая изготавливаются отдельно. Указанный выше технический результат, заключающейся в унификации системы позиционирования используемых в различных диапазонах измеряемых уклонов, обусловлен тем, что в процессе изготовления конкретного устройства из группы идентичных по конструкции устройств программно вводят поправку на диапазон измерения, для которого это конкретное устройство предназначено, за счет автоматического изменения коэффициента обратной связи операционного усилителя посредством электронного потенциометра. Это позволяет расширить эксплутационные возможности устройства (например, при необходимости перепрограммировать его на другой диапазон), повысить точность измерения в диапазоне менее 90 угл. град., использовать одну и ту же конструкцию для программирования на разные диапазоны измеряемых углов.Typically, slope meters and positioning systems, depending on the purpose, have different measurement ranges - up to 10, up to 30, up to 45, up to 60, up to 90 [ang. city.] and for each case are made separately. The above technical result, consisting in the unification of the positioning system used in different ranges of measured slopes, is due to the fact that during the manufacturing process of a particular device from a group of identical in design devices programmatically introduce an adjustment for the measuring range for which this particular device is intended due to automatic change feedback coefficient of the operational amplifier through an electronic potentiometer. This allows you to expand the operational capabilities of the device (for example, if necessary, reprogram it to a different range), to increase the measurement accuracy in the range of less than 90 angles. hail., use the same design for programming on different ranges of measured angles.
Дополнительным техническим результатом является то, что изобретение позволяет обеспечить возможность корректировки условий измерения от температуры за счет установки платы блока системы позиционирования на компенсатор температурных деформаций. Известно, что одним из недостатков устройства на основе микромеханических акселерометров (далее - ММА) является зависимость их показаний от температуры. Обычно коэффициенты чувствительности для каждого ММА определяются по результатам испытаний в рабочем диапазоне температур и записываются в микропроцессор для осуществления алгоритмической компенсации. Однако полностью компенсировать этим методом температурную погрешность не удаются из-за разных коэффициентов линейного расширения платы блока и корпуса.An additional technical result is that the invention makes it possible to adjust the measurement conditions from temperature by installing the board of the positioning system unit on the compensator for temperature deformations. It is known that one of the disadvantages of a device based on micromechanical accelerometers (hereinafter - MMA) is the dependence of their readings on temperature. Typically, the sensitivity coefficients for each MMA are determined by the test results in the operating temperature range and are recorded in the microprocessor for the implementation of algorithmic compensation. However, they cannot completely compensate for the temperature error with this method due to different coefficients of linear expansion of the board of the unit and the case.
Этот недостаток в заявленном устройстве устраняется путем установки платы блока системы позиционирования на корпус через компенсатор температурных деформаций. В этом случае компенсатор температурных деформаций, кроме выполнения своей основной функции, компенсирования разности температурных коэффициентов расширения платы блока и корпуса и прогиба платы выполняет роль амортизатора.This disadvantage in the claimed device is eliminated by installing the board of the block positioning system on the housing through the compensator for thermal deformations. In this case, the compensator for temperature deformations, in addition to performing its main function, compensating for the difference in the temperature coefficients of expansion of the PCB of the unit and the body and the deflection of the PCB, acts as a shock absorber.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено следующее.The invention is illustrated by drawings, which depict the following.
На фиг.1 представлен общий вид системы позиционирования.Figure 1 presents a General view of the positioning system.
На фиг.2 представлена изометрия системы позиционирования.Figure 2 presents an isometric positioning system.
На фиг.3 показана структурная схема системы позиционирования.Figure 3 shows a structural diagram of a positioning system.
На фиг.4 показана функциональная схема блока операционных усилителей.Figure 4 shows a functional diagram of a block of operational amplifiers.
Система позиционирования (фиг.1,2) содержит плату блока интерфейса 1 и плату блока 2 системы позиционирования, установленные в корпус 5, выполненный, как правило, из сплава алюминия. Плата блока 2 системы позиционирования установлена на компенсаторах температурных деформаций 3, одновременно выполняющих функцию амортизаторов, внутри корпуса 5 и закреплена с помощью винтов 4.The positioning system (Fig. 1,2) comprises a board of the
На внешней поверхности платы интерфейса 1 установлен электрический разъем 8. Корпус 5 закрыт крышкой 6 через резиновую прокладку 7.An electrical connector 8 is installed on the outer surface of the
В состав блока системы позиционирования 2 входят последовательно соединенные двухкоординатный измеритель ускорения 9, например, на основе микромеханических акселерометров (ММА) и электронная схема преобразования сигнала (фиг.3), включающая блок операционных усилителей 10, микроконтроллер 11, блок интерфейса 12. Блок операционных усилителей 10 (фиг.4) состоит из операционных усилителей 13, в обратную связь которых включены электронные потенциометры 14. При этом первый выход двухкоординатного измерителя ускорения 9 (Uax) соединен с первым входом блока операционных усилителей 10, второй выход двухкоординатного измерителя ускорения (Uay) соединен со вторым входом блока операционных усилителей 10, первый выход которого (Uα) соединен с первым входом микроконтроллера 11, первый выход которого (Ках) соединен с первым входом блока операционных усилителей 10, причем первым входом блока операционных усилителей 10 является вход блока электронных потенциометров 17, второй выход блока операционных усилителей 10 (Uβ) соединен со вторым входом микроконтроллера 11, второй выход которого соединен со вторым входом блока операционных усилителей, третий выход микроконтроллера 11 соединен с входом-выходом 1 блока интерфейса 12.The composition of the
Работа системы позиционирования осуществляется следующим образом. СигналыThe operation of the positioning system is as follows. Signals
Uax и Uay с выхода ММА поступают на соответствующие входы блока операционных усилителей. Сигналы Uax и Uay поступают на соответствующие входы блока операционных усилителей, где усиливаются и на выходеU ax and U ay from the MMA output go to the corresponding inputs of the block of operational amplifiers. The signals U ax and U ay arrive at the corresponding inputs of the block of operational amplifiers, where they are amplified at the output
где 
0<D≤90.0 <D≤90.
С выходов блока операционных усилителей сигналы Uα и Uβ поступают на входы микроконтроллера, в котором по приведенном выше формулам определяют углы α и β. Величина Kd заложена при изготовлении устройства (при программировании на определенный диапазон) и определяется величиной сигнала, поступающего с микроконтроллера на электронные потенциометры 13 блока операционных усилителей 10.From the outputs of the operational amplifier unit, the signals U α and U β are fed to the inputs of the microcontroller, in which the angles α and β are determined by the above formulas. The value of Kd laid in the manufacture of the device (when programming for a certain range) and is determined by the magnitude of the signal from the microcontroller to the
Способ измерения углов позиционирования заключается в следующем. Двухкоординатный измеритель ускорения силы тяжести 9 выдает напряжение Uax, Uay, пропорциональное действующей величине проекции ускорения на соответствующую ось. Величина этой проекции зависит от положения корпуса измерителя и определяется углом наклона α, β к горизонту из соотношенияA method of measuring positioning angles is as follows. The two-coordinate
где g - ускорение силы тяжести [м/с2];where g is the acceleration of gravity [m / s 2 ];
Uax, Uay - напряжения, снимаемые с микромеханических акселерометров (ММА) по соответствующим осям [В];U ax , U ay - stresses taken from micromechanical accelerometers (MMA) along the corresponding axes [V];
Ках, Кау - масштабные коэффициент ММА, имеющие размерность [В*c2/м],To ah , To ay - scale factor MMA having the dimension [V * c 2 / m],
α, β - углы относительно горизонта [угл. град.].α, β - angles relative to the horizon [ang. hail.].
Таким образом, выходное напряжение с измерителя определяется величиной измеряемого угла наклона α, β.Thus, the output voltage from the meter is determined by the measured angle of inclination α, β.
Вычисление измеряемых углов осуществляется по следующим выражениям:The calculation of the measured angles is carried out according to the following expressions:
Как указывалось выше, известные из уровня техники измерители уклонов и системы позиционирования в зависимости от назначения имеют различные диапазоны измерения - до 10, до 30, до 45, до 60, до 90 угл. град. и для каждого диапазона углов измерители изготавливаются отдельно. В заявленном изобретении для обеспечения унификации измерителей и повышения точности измерений в области измерения углов в диапазоне менее 90 угл. град. вводят поправку на диапазон измерения. Для этого в микропроцессоре проводят следующие математические операции:As mentioned above, known from the prior art slope meters and positioning systems, depending on the purpose, have different measurement ranges - up to 10, up to 30, up to 45, up to 60, up to 90 angles. hail. and for each angle range the meters are manufactured separately. In the claimed invention to ensure the unification of the meters and improve the accuracy of measurements in the field of measuring angles in the range of less than 90 angles. hail. adjust for the measuring range. To do this, the following mathematical operations are carried out in the microprocessor:
Преимущественно D=10, или 30, или 45, или 60, или 90.Mostly D = 10, or 30, or 45, or 60, or 90.
Для повышения точности определения углов, лежащих в пределах от 45 угл. град. до 90 угл. град., вычисления углов проводятся по следующим выражениям:To increase the accuracy of determining angles lying in the range from 45 angles. hail. up to 90 angles hail., angle calculations are carried out according to the following expressions:
При использовании двухкоординатного измерителя прибор имеет два выхода, напряжения на которых изменяются независимо друг от друга в зависимости от наклона измерителя относительно одной или другой оси или одновременно относительно обоих. При этом способе измерении достаточно двух измерителей линейного ускорения вместо трех. Реализация данного способа измерения непосредственно в системе позиционирования осуществляется путем установки в цепь обратной связи операционных усилителей 13 (фиг.4) электронных потенциометров 14, обеспечивающих коэффициент обратной связи (от 1 до 9) в зависимости от диапазона измеряемых углов. Данная схема включения позволяет изменять коэффициент обратной связи операционного усилителя 13 по команде микропроцессора 
Работа системы позиционирования одинакова при определении значений углов относительно той или другой оси.The operation of the positioning system is the same when determining the values of the angles relative to one or another axis.
Точность измерения углов с использованием заявленной системы позиционирования определяется точностью датчика ускорения силы тяжести (≤0,1% от измеряемого угла) и аналого-цифрового преобразователя (цена младшего разряда - ≤0,1°).The accuracy of measuring angles using the claimed positioning system is determined by the accuracy of the gravity acceleration sensor (≤0.1% of the measured angle) and the analog-to-digital converter (low-order price - ≤0.1 °).
Claims (3)
где 0<D≤90;
при этом в зависимости от диапазона измеряемых углов угол уклона относительно горизонтальной плоскости в диапазоне от 0 до 45 угл. град. определяют как:
а в диапазоне от 45 до 90 угл. град. угол уклона относительно горизонтальной плоскости определяют как:
где α, β - угол уклона относительно горизонта, угл. град.;
Uα, Uβ - [В] величина сигнала, равная произведению напряжения снимаемого с измерителя ускорения на коэффициент Kd диапазона измеряемых углов;
Kах, Kау - масштабные коэффициенты измерителя ускорения, В·с2/м;
g - ускорение силы тяжести, м/с2.1. The method of measuring slopes, including measuring the projection of the acceleration of gravity onto the axis of the acceleration meter, the output signal of which is proportional to the measured angle D, is used to determine the angle of inclination relative to the horizontal plane, characterized in that the output signal of the acceleration meter is amplified proportionally to the coefficient of the range of measured angles calculated by the formula:
where 0 <D≤90;
however, depending on the range of measured angles, the slope angle relative to the horizontal plane in the range from 0 to 45 angles. hail. defined as:
and in the range from 45 to 90 angles. hail. the slope angle relative to the horizontal plane is defined as:
where α, β - the angle of inclination relative to the horizon, ang. hail.;
U α , U β - [V] the signal value equal to the product of the voltage taken from the acceleration meter by a coefficient K d of the range of measured angles;
K ah , K ay - scale factors of the acceleration meter, V · s 2 / m;
g - acceleration of gravity, m / s 2 .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008114901/28A RU2382986C2 (en) | 2008-04-18 | 2008-04-18 | Method and system for measurement of slopes for positioning of objects |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008114901/28A RU2382986C2 (en) | 2008-04-18 | 2008-04-18 | Method and system for measurement of slopes for positioning of objects |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008114901A RU2008114901A (en) | 2009-10-27 |
| RU2382986C2 true RU2382986C2 (en) | 2010-02-27 |
Family
ID=41352459
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008114901/28A RU2382986C2 (en) | 2008-04-18 | 2008-04-18 | Method and system for measurement of slopes for positioning of objects |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2382986C2 (en) |
-
2008
- 2008-04-18 RU RU2008114901/28A patent/RU2382986C2/en active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008114901A (en) | 2009-10-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7467536B2 (en) | Positioning system for single or multi-axis sensitive instrument calibration and calibration system for use therewith | |
| CA1330455C (en) | Electronic tilt measuring system | |
| CA2212676C (en) | Apparatus and method for measuring gravity | |
| US20090013755A1 (en) | Calibration jig and algorithms for accelerometer | |
| US10310132B2 (en) | Absolute vector gravimeter and methods of measuring an absolute gravity vector | |
| CN111735591B (en) | Bridge dynamic deformation measuring method | |
| CN201090970Y (en) | Inclination angle measuring apparatus capable of automatic performing zero compensation | |
| Yang et al. | A temperature compensation model for low cost quartz accelerometers and its application in tilt sensing | |
| CN104236523A (en) | Angle detection device and inclined angle sensor with angle detection device | |
| RU2577806C1 (en) | Method of calibrating accelerometric three-axis inclinometer | |
| KR101458025B1 (en) | A dynamic feature measuring apparauts for a static structure and a sensor module used to it | |
| RU2382986C2 (en) | Method and system for measurement of slopes for positioning of objects | |
| RU79659U1 (en) | POSITIONING SYSTEM | |
| CN108917789B (en) | Inclinometer orthogonality evaluation method based on relative included angle of pitch axis and roll axis | |
| CN101266146A (en) | Tilt angle measuring apparatus for automatic zero compensation | |
| AU2006100493A4 (en) | Portable Inclinometer | |
| RU2339002C1 (en) | Method of evaluation of navigation parameters of operated mobile objects and related device for implementation thereof | |
| CN108871649B (en) | Method for establishing reference coordinate system | |
| RU2668954C1 (en) | Measuring unit for gravitational gradiometer | |
| RU154804U1 (en) | DEVICE FOR SCANNING GRAVITY AND WAVE FIELDS | |
| RU146949U1 (en) | INCLINER | |
| RU2166732C1 (en) | Digital inclinometer | |
| SU767507A1 (en) | Method for measuring angle of inclination | |
| RU37523U1 (en) | GRAVIMETRIC SENSOR | |
| Morozov et al. | Methodology for Determining the Delays in Sensor Measurements in Navigation Systems |