WO2012095538A1 - INCLINOMETRO DE 360º, AUTOCALIBRABLE, DE ALTA RESOLUCION Y PROCEDIMIENTO DE MEDIDA - Google Patents
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- G01C9/00—Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels
- G01C9/02—Details
- G01C9/06—Electric or photoelectric indication or reading means
Definitions
- the object of the present invention is an inclinometer based on a system formed by a microcontroller and two microelectromechanical accelerometers characterized by the particular spatial arrangement of said accelerometers as well as by the treatment of their output signals both at the control and routing level, resulting in an improved inclinometer that covers 360 ° sexagesimal with 0.01 ° hexadecimal resolution, self-calibrating, robust against temperature variations, the supply voltage of the device, the non-linearity of the accelerometer output or manufacturing defects as well as to assembly errors of the latter in the electronic control board of which they are part.
- the present invention is within the scope of the inclination measuring devices and in particular the digital inclination measuring devices, based on micro electromechanical accelerometers.
- Inclinometers based on the measurement of the acceleration of gravity are normally used in devices that require great reliability in their control such as electromedical devices, land or air vehicles and also in portable consumer devices such as telephones mobile phones
- accelerometer-based inclinometers The biggest problem of accelerometer-based inclinometers is their poor resolution, since the highest resolution of an accelerometer occurs when it is perpendicular to the direction of Earth's gravity; thus, as it moves away from said perpendicular position, its measurement becomes practically null after 45 ° of inclination; That is why, in most current inclinometers, 4 accelerometers are used to measure a rotation of 360 °, even with a very poor resolution.
- inclination measurement devices based on a microcontroller system and microelectromechanized accelerometers such as those disclosed in patents CN201062949U, CN201007649Y, CN201062948U, CN20107649U, or DE102006032280 or US2007044334 in which a single micro electromechanical accelerometer is used.
- JP2007101478 patent proposes to mount the accelerometer at 45 degrees to increase accuracy.
- Patent US2005251294 proposes at least 2 accelerometers plus a third device to discern the quadrant, while RU229194 or US20060100820 pose trio of accelerometers.
- the US20040149004 allows to correct some of the measurement errors based on accelerometers and magnetometers.
- WO200186230 compensates for the error due to temperature and JP0913526 solves the problem that the object is moving.
- an inclinometer of simple construction, formed by only 2 accelerometers, which measures in the range of 360 ° hexadecimals such as the one described below, and that overcomes the drawbacks described, that is , that has a resolution of 0.01 hexadecimal degrees, is robust against unwanted vibrations and manufacturing or assembly failures, does not need calibration, and that its measurement is not altered by variations in temperature or power of the device.
- the present invention is based on the use of two microelectromechanical accelerometers on whose Cartesian reference system the components of the acceleration of the earth's gravity are measured.
- the accelerometers are physically opposed to the mounting plate. allows two perpendicular axes to be arranged respectively between them.
- the errors that can occur in the reading provided by the inclinometers that use accelerometers can be basically three:
- the components (x) and (y) of the accelerometer will be used, so that the error will be directly proportional in both components and the calculation accordingly will be accurate.
- X1, and Y1 the coordinates or components of gravity (g1) measured by the first accelerometer or sensor on an axis system
- X2 and Y2 are the coordinates or components of gravity (g2) measured by the second accelerometer or sensor on the previous axis system.
- the inclinometer object of the invention comprises:
- a microcontroller Additionally and between the means of obtaining the X and Y components as a difference from the acceleration components of the acceleration of each accelerometer, and before the microcontroller (5) an amplification step is introduced. Thanks to the means described and the procedure of manipulating the accelerometer or sensor readings, a high-resolution, self-calibrating 360 ° inclinometer is achieved, robust against temperature variations, against variations in the supply voltage, of the lack of linearity of the accelerometers or resolution errors.
- Figure 3 shows a simplified representation of the two accelerometers, the values (g) obtained and their components in relation to a reference system.
- the object of the invention is an inclinometer based on a microprocessor and two micro electromechanical accelerometers that have a special spatial arrangement, as will be explained in the following figures, as well as by the spatial treatment of the output signals.
- Figure 1 we can see two accelerometers (1) and (2), with a first accelerometer (1) that is arranged in a way opposite to a second accelerometer (2). One could also say that one of the accelerometers is positioned on the electronic mounting plate with a 180 ° turn in relation to the other accelerometer.
- Figure 1 shows how the reference pins of the integrated circuits of the accelerometers (1) and (2), indicate that the accelerometers are positioned in opposite directions.
- an accelerometer is observed, the measured gravity value (g) and its components (x) and (y) on a reference system, where the angle (a) is the angle formed between the vector (g) ) and the component (y), while ( ⁇ ), is the angle formed between the vector (g) and its component (x).
- the invention is based on the arrangement of two opposite accelerometers, instead of using the values of a single accelerometer, the values of the two accelerometers and their components as explained below for the lack of linearity and resolution errors.
- X1 and Y1 being the components of the accelerometer or sensor (1), on a reference system ( ⁇ '- ⁇ '), and ⁇ being the angle formed by the vector (g1) in relation to the Y' axis, while ⁇ would be the angle formed by the vector (g1) of the first accelerometer (1) with the X 'axis.
- X2 and Y2 being the components of the accelerometer or sensor (2), on a reference system ( ⁇ '- ⁇ '), and ⁇ being the angle formed by the vector (g2) in relation to the Y' axis, while ⁇ would be the angle formed by the vector (g2) of the first accelerometer (2) with the X 'axis.
- ⁇ are eos Y / gt when the components on the Y axis have a higher resolution '
- Figure 5 shows the hardware configuration of the inclinometer of the invention, represented in a simplified manner, in which the two accelerometers, (1) and (2), which must be arranged in opposite directions, providing the first accelerometer can be observed the components (X1) and (Y1), while the second inclinometer provides the components (X2) and (Y2), obtained the value of (X) and (Y) in the adders (3) and (3) by the difference of components on the same axis.
- X X1 - X2
- the accelerometer used could be the IC ADXL203, since it provides the greatest sensitivity in the entire range.
Abstract
Inclinómetro autocalibrable que comprende al menos dos acelerómetros (1 ) y (2) dispuestos de manera contrapuesta, medios de cálculo de las componentes de la aceleración de la gravedad de cada acelerómetro, medios de obtención de las componentes X e Y como diferencia de las componentes de la aceleración de la gravedad de cada acelerómetro, medios de amplificación (4) de la señal y un microcontrolador (5), calculándose el ángulo como α = arctg X / Y, donde X = X1 - X2; Y = Y1 - Y2. Siendo X1, Y1, X2 e y2 las coordenadas o componentes de la gravedad (g1 ) (g2) cada acelerómetro. Consiguiéndose un inclinómetro de 360° de alta resolución, auto calibrable, robusto frente a variaciones de temperatura, frente a las variaciones de la tensión de alimentación, de la falta de linealidad de los acelerómetros o errores de resolución
Description
INCLINOMETRO DE 360°, AUTOCALIBRABLE, DE ALTA RESOLUCION Y
PROCEDIMIENTO DE MEDIDA
DESCRIPCION
OBJETO DE LA INVENCION
Es objeto de la presente invención un inclinómetro basado en un sistema formado por un microcontrolador y dos acelerometros microelectromecánicos caracterizado por la particular disposición espacial de dichos acelerometros así como por el tratamiento de sus señales de salida tanto a nivel de control como de ruteado, resultando en un inclinómetro mejorado que cubre 360° sexagesimales con resolución 0,01 ° hexadecimales, auto calibrable, robusto frente a variaciones de temperatura, de la tensión de alimentación del dispositivo, de la no linealidad de la salida de los acelerometros o defectos en su fabricación así como a errores de montaje de estos últimos en la placa electrónica de control de la que forman parte.
También es objeto de la presente invención, el procedimiento mediante el cual se lleva cabo la medición de la inclinación a partir de los datos obtenidos por los dos acelerometros.
Por lo tanto, la presente invención se circunscribe dentro del ámbito de los dispositivos de medida de inclinación y de manera particular de los dispositivos medidores de inclinación digitales, basados en acelerometros micro electromecánicos.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los inclinómetros basados en la medida de la aceleración de gravedad se utilizan normalmente en artefactos que requieren una gran fiabilidad en su control como son los dispositivos electromédicos, vehículos terrestres u aéreos y también en aparatos portátiles de gran consumo como por ejemplo teléfonos
móviles.
El mayor problema de los inclinómetros basados en acelerometros es la pésima resolución de los mismos, pues la mayor resolución de un acelerómetro se produce cuando el mismo está perpendicular a la dirección de la gravedad terrestre; así, según se aleja de dicha posición perpendicular, su medida se hace prácticamente nula a partir de los 45° de inclinación; es por ello, que en la mayoría de los inclinómetros actuales se utilizan 4 acelerometros para conseguir medir una rotación de 360°, aun así con una muy mala resolución.
Otro de los problemas que surgen al utilizar acelerometros con tecnología micro electromecánica es que su sensibilidad depende de la tensión de alimentación. A esto hay que añadir la propia no/linealidad de la salida de los acelerometros. Adicionalmente, el correcto funcionamiento del sistema depende del montaje de los acelerometros en la tarjeta electrónica, teniendo estos que estar perfectamente perpendiculares en las configuraciones de 1 , 2, 3 y hasta 4 acelerometros a las que algunas patentes hacen referencia. Ya a nivel de aplicación, surgen problemas debido a que el sistema puede estar en movimiento, aparecen vibraciones mecánicas no deseadas, (grandes posicionadores médicos), cambios bruscos de temperatura (aeronaves en tierra o en altura) o variaciones en la tensión de alimentación en dispositivos portátiles a baterías.
Existen numerosos dispositivos de medida de inclinación basados en un sistema microcontrolador y acelerometros microelectromecanizados como los divulgados en las patentes CN201062949U, CN201007649Y, CN201062948U, CN20107649U, o DE102006032280 o US2007044334 en los que se utiliza un solo acelerómetro micro electromecánico. La patente JP2007101478 plantea montar el acelerómetro a 45 grados para aumentar la precisión. La patente US2005251294 plantea al menos 2 acelerometros más un tercer dispositivo para discernir el cuadrante, mientras que la RU229194 o la US20060100820 plantean tríos de acelerometros. La
US20040149004 permite corregir algunos de los errores de medida apoyándose en acelerómetros y magnetómetros. La WO200186230 compensa el error debido a temperatura y la JP0913526 resuelve el problema de que el objeto se este moviendo.
Ninguna de estas invenciones permite solucionar todos los problemas descritos en un solo dispositivo.
Por lo tanto, es objeto de la presente invención desarrollar un inclinómetro, de construcción simple, formado por solo 2 acelerómetros, que mida en el rango de 360° hexadecimales como el que a continuación se describe, y que supere los inconvenientes descritos, esto es, que tenga una resolución de 0,01 grados hexadecimales, sea robusto frente a vibraciones no deseadas y fallos de fabricación o montaje, no necesite calibración, y que su medida no se vea alterada por variaciones de temperatura o alimentación del dispositivo.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Se basa la presente invención en la utilización de dos acelerómetros microelectromecánicos sobre cuyo sistema de referencia cartesiano se miden las componentes de la aceleración de la gravedad terrestre.
Para eliminar ruidos en el sistema, independizar el sistema de variaciones de temperatura y poder aplicar una fórmula de cálculo que no dependa de las variaciones de fabricación de cada circuito integrado, etc, los acelerómetros se emplazan físicamente contrapuestos sobre la placa de montaje Esta configuración nos permite disponer dos ejes perpendiculares respectivamente entre ellos.
Los errores que se pueden producir en la lectura proporcionada por los inclinómetros que emplean acelerómetros pueden ser fundamentalmente tres:
- Errores debidos a los cambios en la alimentación.
- Errores debidos a la falta de linealidad en la sensibilidad.
Errores debidos a la resolución.
Para poder superar los errores debidos a los cambios en la alimentación, en vez de utilizar el término g¡ de la fórmula de cálculo, se procederá a utilizar las componentes (x) e (y) del acelerometro, de manera que el error será directamente proporcional en ambas componentes y el cálculo en consecuencia será exacto.
α = arctg x / y Para poder superar los errores de falta de linealidad, y poder compensarlos se emplearán los valores X e Y en el cálculo del ángulo: α = arctg X / Y ; donde X = X1 - X2
Y = Y1 - Y2
Siendo X1 , e Y1 , las coordenadas o componentes de la gravedad (g1 ) medida por el primer acelerometro o sensor sobre un sistema de ejes, mientras que X2 e Y2 son las coordenadas o componentes de la gravedad (g2) medida por el segundo acelerometro o sensor sobre el anterior sistema de ejes.
Para poder superar los errores de resolución, dado que cuando un acelerometro acerca su eje de medida a la vertical respecto del eje terrestre, este pierde resolución, se pueden obtener buenas resoluciones para ángulos pequeños y resoluciones prácticamente nulas para ángulos por encima de 80°. Por ello la solución que se propone es utilizar la componente X (X1 -X2) para ángulos entre 0o y 45° y la componente Y (Y1 -Y2) para ángulos entre 45° y 90°, luego el cálculo vendría dado por: α = arcsen X / gt
α = arceos Y / gt
gt = V (X2 + Y2)
Si se desea mayor resolución se podría operar y trasladar los vectores X e Y a un nuevo sistema en el que se trabajase con 1/X, 1/Y, y calcular de nuevo el vector módulo gt, predominando ahora en la fórmula el término de mayor resolución.
El inclinómetro objeto de la invención comprende:
- al menos dos acelerómetros dispuestos de manera contrapuesta
- medios de cálculo de las componentes de la aceleración de la gravedad de cada acelerómetro sobre un sistema de referencia.
- medios de obtención de las componentes X e Y como diferencia de las componentes de la aceleración de la gravedad de cada acelerómetro
- medios de amplificación de la señal
- un microcontrolador Adicionalmente y entre los medios de obtención de las componentes X e Y como diferencia de las componentes de aceleración de la gravedad de cada acelerómetro, y antes del microcontrolador (5) se introduce una etapa de amplificación. Gracias a los medios descritos y al procedimiento de manipular las lecturas de los acelerómetros o sensores se consigue, un inclinómetro de 360° de alta resolución, auto calibrable, robusto frente a variaciones de temperatura, frente a las variaciones de la tensión de alimentación, de la falta de linealidad de los acelerómetros o errores de resolución.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, una serie de figuras en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado:
En la figura 1 , se ilustra el montaje de la pareja de acelerometros en configuración perpendicular.
En la figura 2, se muestra una representación de un acelerómetro, el vector (g) y las componentes de dicho vector con relación a unos ejes y los ángulos que forman con relación dichos ejes.
En la figura 3, se muestra una representación simplificada de los dos acelerometros, los valores (g) obtenidos y sus componentes con relación a un sistema de referencia.
En la figura 4, se muestran los diferentes sectores y las fórmulas a emplear para dependiendo de los sectores en el que nos encontremos. En la figura 5, se muestra de manera simplificada el hardware del inclinómetro objeto de la invención.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A la vista de las mencionadas figuras, se procede a exponer un modo de realización preferente de la invención, pero en ningún caso limitativo.
El objeto de la invención es un inclinómetro basado en un microprocesador y dos acelerometros micro electromecan izados que tienen una especial disposición espacial, tal y como se explicará en las sucesivas figuras, así como por el tratamiento espacial de las señales de salida.
En la figura 1 observamos dos acelerometros (1 ) y (2), habiendo un primer acelerómetro (1 ) que está dispuesto de manera contrapuesta a un segundo acelerómetro (2). También se podría decir que uno de los acelerometros está posicionado sobre la placa electrónica de montaje con un giro de 180° con relación al otro acelerómetro. En la figura 1 se puede observar cómo los pines de referencia de los circuitos integrados de los acelerometros (1 ) y (2), nos indican que los acelerometros están posicionados de manera contrapuesta.
En la figura 2, se observa un acelerometro, el valor de la gravedad (g) medido y sus componentes (x) e (y) sobre un sistema de referencia, donde el ángulo (a) es el ángulo formado entre el vector (g) y la componente (y), mientras que (β), es el ángulo formado entre el vector (g) y su componente (x).
Por lo tanto, se cumple:
x = sen α . g
α = arcsen (x/g)
Si hay una falta de linealidad en la lectura por un error debido en la alimentación, y si se emplearan las anteriores fórmulas para el cálculo del ángulo (a), la falta de linealidad se traduciría en un error en el cálculo de ángulo (a).
Para hacer inmune el sistema frente a cambios de Vcc, lo que debemos hacer es eliminar el término (g) de la fórmula de cálculo, lo que nos lleva a utilizar las dos componentes (x) e (y) del acelerometro. De esta manera el error será directamente proporcional a cada uno de los ejes y el cálculo del ángulo será exacto.
Por lo tanto, como
x = sen α
y = eos α
entonces: α = arctg x/y en consecuencia hemos eliminado la dependencia del valor de (g).
Como la invención se basa en la disposición de dos acelerómetros enfrentados, en vez de utilizar los valores de un solo acelerometro, se podrían utilizar los
valores de los dos acelerometros y sus componentes como se explica a continuación para los errores de falta de linealidad y de resolución.
Para compensar los errores de falta de linealidad, procederemos como a continuación se detalla y se muestra en la figura 3.
Está claro que si hay un error por falta de linealidad en la medida de cualquiera de los valores (g1 ) ó (g2) correspondientes a sus respectivos acelerometros, este error se traduce proporcionalmente en cada una de sus componentes.
X1 = eos β . g1 = sen α . g1
Y1 = sen β . g1 = eos α . g1
Siendo X1 e Y1 las componentes del acelerometro o sensor (1 ), sobre un sistema de referencia (Χ'-Υ'), y siendo α el ángulo que forma el vector (g1 ) con relación al eje Y', mientras que β sería el ángulo que forma el vector (g1 ) del primer acelerometro (1 ) con el eje X'.
Por otro lado tendríamos:
X2 = eos β . g2 = sen α . g2
Y2 = sen β . g2 = eos α . g2
Siendo X2 e Y2 las componentes del acelerometro o sensor (2), sobre un sistema de referencia (Χ'-Υ'), y siendo α el ángulo que forma el vector (g2) con relación al eje Y', mientras que β sería el ángulo que forma el vector (g2) del primer acelerometro (2) con el eje X'.
Si restamos las componentes:
X = X1 - X2
Y = Y1 - Y2
Y si se calcula el ángulo como α = are sen X / gt, el error de falta de linealidad se traslada directamente al valor de (a) calculado.
Pero si se calcular el valor de (a), como: a = arctg X / Y, no hay error alguno en la medida, ya que se compensan los errores. Por otro lado, para compensar los errores de resolución, se procede como a continuación se describe. Cuando un acelerometro acerca su eje de medida a la vertical respecto al eje terrestre, este pierde resolución, por lo que es sencillo obtener buenas resoluciones para ángulos pequeños y resoluciones prácticamente nulas para ángulos por encima de 80°.
Por lo que se propone en utilizar la componente X = X1 -X2, para ángulos entre 0o y 45° y la componente Y = Y1 -Y2 para ángulos entre 45° y 90°. Por lo que el cálculo del ángulo vendría dado por: α = are sen X / gt cuando tenga mayor resolución las componentes sobre el eje X'
y se calcularía por: α = are eos Y / gt cuando tenga mayor resolución las componentes sobre el eje Y'
Ahora bien, si lo que se pretende es resolver simultáneamente el error de linealidad y el de resolución de manera conjunta, para ello aprovecharemos el módulo del vector gt, que se mantienen en todo momento:
gt = V (X2 + Y2)
Si se desea mayor resolución se podría operar y trasladar los vectores X e Y a un nuevo sistema en el que se trabajase con 1 /X, 1 /Y, y calcular de nuevo el vector módulo gt, predominando ahora en la fórmula el término de mayor resolución.
Por lo tanto, las fórmulas a emplear para el cálculo de valor de la inclinación, para un ángulo a' de poca resolución serían: sen a' . g1
eos a' . g1
sen a' . g2
eos a' . g2
Calculando a continuación
X = X1 - X2
Y = Y1 - Y2
gt = V (X2 + Y2)
y calculando finalmente el ángulo de inclinación α como α = are sen X / gt para los sectores (i) e (iii) α = are eos Y / gt para los sectores (ii) y (iv), tal y como puede observarse en la figura 4.
En la figura 5 puede observarse la configuración hardware del inclinómetro de la invención, representado de manera simplificada, en la que se pueden observar los dos acelerometros, (1 ) y (2), que deberán estar dispuestos de manera contrapuesta, proporcionando el primer acelerometro las componentes (X1 ) e (Y1 ), mientras que el segundo inclinómetro proporciona las componentes (X2) e (Y2), obtenido el valor de (X) e (Y) en los sumadores (3) y (3) mediante la diferencia de componentes sobre el mismo eje.
X = X1 - X2
Y = Y1 - Y2
Contando además con una etapa de ganancia (4), que amplifica los valores obtenidos anteriormente, para finalmente proporciónaselos a un microcontrolador (5) encargado de los cálculos finales.
En una posible forma de realización, el acelerometro utilizado podría ser el IC ADXL203, dado que proporciona la mayor sensibilidad en toda la gama.
No altera la esencialidad de esta invención variaciones en materiales, forma, tamaño y disposición de los elementos componentes, descritos de manera no limitativa, bastando ésta para su reproducción por un experto.
Claims
1 . - Inclinómetro autocalibrable de alta resolución basado en la medida de la aceleración de la gravedad caracterizado porque comprende:
- al menos dos acelerómetros (1 ) y (2) dispuestos de manera contrapuesta
- medios de cálculo de las componentes de la aceleración de la gravedad de cada acelerometro sobre un sistema de referencia.
- medios de obtención de las componentes X e Y como diferencia de las componentes de la aceleración de la gravedad de cada acelerometro
- medios de amplificación (4) de la señal
- un microcontrolador (5)
2. - Inclinómetro autocalibrable de alta resolución según la reivindicación primera caracterizado porque adicionalmente y entre los medios de obtención de las componentes X e Y como diferencia de las componentes de aceleración de la gravedad de cada acelerometro, y antes del microcontrolador (5) se introduce una etapa de amplificación (4).
3.- Inclinómetro autocalibrable de alta resolución según la reivindicación primera caracterizado porque el acelerometro utilizado es el IC ADXL203.
4.- Procedimiento de cálculo de la inclinación en base al inclinómetro anteriormente reivindicado, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
- Obtención de las componentes X1 e Y1 , de la aceleración de la gravedad terrestre (g1 ) correspondiente a un primer inclinómetro (1 ), con relación a un sistema de referencia cartesiano.
- Obtención de las componentes Obtención de las componentes X1 e Y1 , de la aceleración de la gravedad terrestre (g2) correspondiente a un segundo inclinómetro (2), con relación al sistema de referencia cartesiano anterior. - Obtención de los valores X e Y como resultado de restar las componentes de cada acelerómetro, esto es:
X = X1 - X2
Y = Y1 - Y2
- Obtención de ángulo (a) como:
a = arctg X / Y
5. - Procedimiento de cálculo en un inclinómetro, según la reivindicación 2, caracterizado porque en caso de querer resolver errores de falta de linealidad y de resolución de manera conjunta entonces se calcula, a partir de un ángulo a' de poca resolución.
X1 = sen a' . g1
Y1 = eos a' . g1
X2 = sen a' . g2
Y2 = eos a' . g2
Calculando a continuación
X = X1 - X2
Y = Y1 - Y2
Para a continuación calcular
gt = V (X2 + Y2)
y empleando una de las dos expresiones siguientes: α = arceos Y/gt para los sectores en que /X/ > Λ7 ó
α = aersen X/gt para los sectores en que /Y/ > /X/
6. - Procedimiento de cálculo en un inclinómetro, según la reivindicación 5 anteriores, caracterizado porque si se desea mayor resolución se podría operar y trasladar los vectores X e Y a un nuevo sistema en el que se trabajase con 1/X, 1/Y, y calcular de nuevo el vector módulo gt, predominando ahora en la fórmula el término de mayor resolución.
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