一種數位化智能傾斜儀的製作方法
2023-04-26 08:27:01 1
專利名稱：一種數位化智能傾斜儀的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於測量技術領域，涉及一種傾斜儀，尤其涉及一種作水平、航向測量及自動調平的數位化智能傾斜儀。
背景技術：
通常情況下，數位化傾斜儀是用來測量物體隨時間的傾斜變化及鉛垂線隨時間變化的儀器，GPS用於導航定位，能夠提供速度、時間、位置信息，它們分別獨立的。數位化傾斜儀的在不同地理位置下使用，會存在當地重力加速度與出廠地重力加速度的不同而帶來的測量精度誤差，特別對於高精度數位化傾斜儀來說，尤為需要突出解決的誤差問題。現有的數位化傾斜儀一般只提供單軸或者雙軸測量，即橫滾、俯仰角度測量，未能·提供航向角度測量。對於現有基於重力加速度原理的傾斜儀已經滿足不了實際測量的要求，用戶往往將被迫選擇多個獨立測量單元組合完成測量需求，並將多個單元將數據通過上位機融合處理。如果能將GPS與傾斜儀有機地結合在一起，減少使用者的負擔，在有些應用場所如大壩監控、山體滑坡等具有明顯的技術優勢和應用價值。有鑑於此，如今迫切需要設計一種具有GPS定位功能的數位化智能傾斜儀，本實用新型數位化智能傾斜儀具有GPS定位功能，將GPS和傾斜儀有機地結合在一起。
實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種數位化智能傾斜儀，可提高橫滾、俯仰的測量精度，同時實現位置定位、運動狀態監控及測量過程中的數據實時性。為解決上述技術問題，本實用新型採用如下技術方案一種數位化智能傾斜儀，所述傾斜儀包括傾角傳感器，用以生成傾斜角度的模擬信號，並予以輸出；濾波單元，與所述傾角傳感器連接，用以對所述傾角傳感器輸出的模擬信號進行濾波；處理器，與所述濾波單元連接，用以對傾角傳感器輸出的經過濾波的模擬信號進行高精度模數轉換，在處理器內作數位訊號濾波，真實地反映出傾角輸出信息，並對數字處理後的信號進行角度轉換；數顯分度轉臺，與所述處理器連接，用以對傾角傳感器作線性補償所需的數據作測試，計算出合適的線性標定係數；所述處理器進一步利用數顯分度轉臺計算出的線性標定係數對測量的角度數據作線性補償；GPS單元，與所述處理器連接，提供測量體軌跡、位置、及輔助重力加速度計的修正、時間信息、航向角信息；電源系統，與所述傾角傳感器、濾波單元、處理器、數顯分度轉臺、GPS單元連接，用以提供電源。作為本實用新型的一種優選方案，所述GPS單元包括GPS 天線；GPS主體，用於對傾角傳感器做重力加速度計修正；並給出位置信息、速度信息，由處理器根據預設的所述GPS天線距離，解算出航向角度信息；所述GPS主體給出的位置信息、速度信息由處理器通過232輸出接口、或485輸出接口、或422輸出接口、或CAN接口輸出，清晰地繪製出測量體的運動軌跡。作為本實用新型的一種優選方案，所述濾波單元為硬體濾波單元，用以對傾角傳感器輸出的模擬信號帶寬內濾波。作為本實用新型的一種優選方案，所述傾斜儀進一步包括高低溫溫度箱，用以對傾斜儀的零點溫漂做補償。作為本實用新型的一種優選方案，所述傾斜儀進一步包括高低溫溫度箱，用以對傾斜儀的靈敏度溫漂做補償。作為本實用新型的一種優選方案，所述傾斜儀進一步包括232輸出接口、485輸出接口、422輸出接口、V/I輸出接口、IXD輸出接口、CAN接口。作為本實用新型的一種優選方案，所述處理器為內置24bit模數轉化單元AD的MCU。作為本實用新型的一種優選方案，所述GPS單元與傾角傳感器連接，用於對傾角傳感器做重力加速度計修正，減少不同位置的重力加速度不同對傾角傳感器測量值得影響。作為本實用新型的一種優選方案，所述GPS單元與傾角傳感器、處理器連接，用於給出位置、速度信息，由處理器根據預設的GPS天線距離，解算出航向角度信息，並輸出橫滾、俯仰、航向三維姿態角度信息。作為本實用新型的一種優選方案，所述GPS單元與傾角傳感器、處理器連接，用於給出位置信息、速度信息，由處理器通過232輸出接口、或485輸出接口、或422輸出接口、或CAN接口輸出，配合好用戶上位機，繪製出測量體的運動軌跡。作為本實用新型的一種優選方案，所述GPS單元給出時間信息，由處理器將每一時刻的三維姿態信息與時間信息打包為一個數據幀，便於實時測量、數據同步融合。本實用新型的有益效果在於本實用新型提出的數位化智能傾斜儀，能夠提供航向、橫滾、俯仰角度測量，能夠滿足工業應用、研究所及軍工單位的測量應用需求。同時，本實用新型將GPS與傾角傳感器完美結合在一起，實現強大的測量功能，能夠提供載體的軌跡、位置、及輔助重力加速度計的修正、時間信息、航向角等，相對於現有的同類數字傾斜儀有明顯優勢。本數字傾斜儀能夠提供豐富的接口，如數字量RS232、RS485、RS422、CAN, LCD顯示，數字接口軟體協議可選，如Modbus，CAN2. Oa或Can2. Ob等，模擬量電壓和電流，模擬量輸出範圍可設置。此外，本實用新型數字傾斜儀內部軟體集成了自標定算法，能夠在外部簡單的操作實現數字傾斜儀本身數字自動標定。
圖I為本實用新型數位化智能傾斜儀的組成示意圖。圖2為本實用新型傾斜儀測量方法的流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖詳細說明本實用新型的優選實施例。實施例一本實用新型揭示了一種數位化智能傾斜儀，包括傾角傳感器、濾波單元、處理器、數顯分度轉臺、電源系統、GPS單元。傾角傳感器用以提供高解析度的傾斜角度；濾波單元與所述傾角傳感器連接，用以對所述傾角傳感器輸出的模擬信號進行濾波；處理器與所述濾波單元連接，用以對傾角傳感器輸出的經過濾波的模擬信號進行高精度模數轉換，在處·理器內作數位訊號濾波，達到真實地反映出傾角輸出信息，並對數字處理後的信號進行角度轉換；數顯分度轉臺與所述處理器連接，用以對傾角傳感器作線性補償所需的數據作測試，計算出合適的線性標定係數；所述處理器進一步利用數顯分度轉臺計算出的線性標定係數對測量的角度數據作線性補償；電源系統與所述傾角傳感器、濾波單元、處理器、數顯分度轉臺連接，用以提供電源；GPS單元與所述處理器連接，提供載體運動軌跡、位置、及輔助重力加速度計的修正、時間信息、航向角。GPS單元包括GPS主體11、GPS天線12。請參閱圖I，本實施例中，所述傾斜儀包括核心高精度MEMS傾角傳感器I、硬體濾波單元2、電源系統3、內置24Bit模數轉化單元AD的MCU 4、數顯分度轉臺(圖未示)、多個輸出接口(包括232輸出接口 5、485輸出接口 6、422輸出接口 7、V/I輸出接口 8、IXD輸出接口 9、CAN接口 10)。所述MCU4連接硬體濾波單元2、電源系統3、數顯分度轉臺、各輸出接口，所述電源系統3連接傾角傳感器I、硬體濾波單元2、數顯分度轉臺、各輸出接口。所述GPS主體11連接MCU 4、GPS天線12。核心高精度MEMS傾角傳感器I可以提供很高的角度解析度，通過硬體濾波2對高精度MEMS傾角傳感器I輸出模擬信號帶寬內濾波，內置24BUAD的MCU對核心高精度MEMS傾角傳感器I輸出的模擬信號進行高精度模數轉換，在MCU內部軟體內作數位訊號濾波，達到真實地反映出傾角輸出信息。內置24bit AD的MCU 4對GPS單元(GPS11、GPS天線12)獲取位置、時間、速度信息，根據位置信息解出當地重力加速度值，使用當地重力加速度值修正重力加速度變化對傾斜儀測量精度的影響。根據時間信息將每一次測量的角度信息貼上時間標籤，便於相對實時地觀測數據。根據位置、速度信息解算出傾斜儀的航向角度信息。內置24bit AD的MCU 4會對數字處理後信號進行角度轉換，然後會利用外部高精度的數顯分度轉臺對傾角傳感器作線性補償所需的數據作測試。內置24bit AD的MCU 4利用內部最小二乘法算法對在線測試數據運算，計算出合適的線性標定係數，並存儲於MCU內部開闢的Flash Data存儲空間。每一次測量後，內置24bit AD的MCU 4利用事先計算出的線性標定係數對測量的角度數據作線性補償，達到提高傾角測量的線性度的目的。所述處理器的線性補償方法包括對一組標準值&1，a2, a3，. . .，ak，和對應該組標準值的實際測量所得一組值b」 b2, b3，. . .，bk，根據兩組值擬合出一個多項式ai = F(bi)，i=I. . . k,即 f = ko+kiC+^^+kgC3+. . . +kmCm, k。，Ii1, k2, k3,…，km 為多項式係數，C = aira2, a3, . . . , ak ;利用最小二乘法算法,求解多項式擬合的係數1 , k1； k2, k3, . . .，km,處理器的
MCU程序將該多項式固化其中，並利用該多項式對採集的數據進行多項式計算，即數據補m \-ΖΧ ο如圖I所示，電路內部設置有232輸出接口 5、485輸出接口 6、422輸出接口 7、V/I輸出接口 8、IXD輸出接口 9、CAN接口 10，提供多種輸出接口，其中電路內部構造232輸出接口 5、485輸出接口 6、422輸出接口 7可根據用戶需要定製通信協議或按照標準協議提供輸出，如ModBus等；CAN接口 10可實現Can2. Oa/b或Can Open協議輸出。V/1輸出接口 8能夠提供電壓和電流輸出，輸出電壓可單極性或雙極性，輸出電壓範圍達-IOVDC +10VDC，可通過軟體內部調整電壓輸出範圍。電流輸出可達O 24mA範圍，電流輸出範圍可通過軟體內部調整。此外，所述數位化智能傾斜儀進一步包括高低溫溫度箱，用以對傾斜儀的零點溫漂和靈敏度溫漂做補償。利用外部設備高低溫實驗箱對核心高精度MEMS傾角傳感器I作溫度補償測試(靈敏度溫漂、零點溫漂)，內置24bitMCU 4利用內部最小二乘法算法對在線對測試數據處理、運算，計算出溫度補償係數，並存儲於內部開闢的存儲空間內，以後每-次測量數據輸出都會被溫度補償係數修正，能夠很好地降低溫度對傳感器的影響。零點溫漂補償方法包括對傾斜儀的零點輸出做溫度試驗，測量出傾斜儀的零點輸出受溫度影響的變化，利用最小二乘法擬合出零點輸出與溫度變化之間的多項式關係式，Z = Z(T)，Bp Z(T) = k0+k1T+k2T2+k3T3+. · · +kmTm，其中，k0，k」 k2, k3，· · ·，km 為多項式係數；利用最小二乘法算法，求解多項式擬合的係數U k1； k2, k3，...，kn，處理器的MCU程序將該多項式固化其中，並利用該關係式對零點輸出做補償。靈敏度溫漂補償方法包括對傾斜儀的靈敏度做溫度試驗，測量出傾斜儀的靈敏度受溫度影響的變化，利用最小二乘法擬合出靈敏度與溫度變化之間的多項式關係式，S=S(T)，即 S(T) = k0+k1T+k2T2+k3T3+. · · +kmTm，其中，k0, k」 k2, k3，· · ·，km 為多項式係數；利用最小二乘法算法,求解多項式擬合的係數1 , k1； k2, k3，...，km,處理器的MCU程序將該多項式固化其中，並利用該關係式對靈敏度做補償。上述三個補償步驟使用了最小二乘法；三個補償步驟中，多項式的係數k0, k1； k2, k3,. . . kn根據實際情況計算,在三個補償步驟中多項式的係數1 , k1； k2, k3,. . .，km並不要求相等。以上介紹了本實用新型數位化智能傾斜儀的組成，本實用新型在揭示上述具有GPS功能的數位化智能傾斜儀的同時，還揭示一種上述數位化智能傾斜儀的測量方法；請參閱圖2，所述測量方法包括如下步驟步驟SI傾角傳感器提供高解析度的傾斜角度，濾波單元對傾角傳感器輸出的模擬信號濾波；步驟S2處理器對傾角傳感器輸出的經過濾波的模擬信號進行高精度模數轉換，在處理器內作數位訊號濾波，達到真實地反映出傾角輸出信息；步驟S3處理器對數字處理後的信號進行角度轉換，利用外部高精度的數顯分度轉臺對傾角傳感器作線性補償所需的數據作測試，所述處理器利用最小二乘法算法對在線測試數據運算，計算出合適的線性標定係數，並存儲於處理器內的存儲空間；步驟S4每一次測量後，處理器利用事先計算出的線性標定係數對測量的角度數據作線性補償，達到提高傾角測量的線性度的目的。步驟S5每一次測量後，處理器根據位置信息解出當地重力加速度值，使用當地重力加速度值修正重力加速度變化，達到提高對傾斜儀測量精度的目的。步驟S6每一次測量後，處理器根據位置、速度信息解算出傾斜儀的航向角度信息，達到提供傾斜儀測量航向角度的目的。步驟S7每一次測量後，處理器根據時間信息將每一次測量的角度信息貼上時間標籤，達到便於相對實時地觀測數據的目的。綜上所述，本實用新型提出的數位化智能傾斜儀，能夠提供航向、橫滾、俯仰角度測量，能夠滿足工業應用、研究所及軍工單位的測量應用需求。同時，本實用新型將GPS與傾角傳感器完美結合在一起，實現強大的測量功能，能夠提供載體的軌跡、位置、及輔助重力加速度計的修正、時間信息、航向角等，相對於現有的同類數字傾斜儀有明顯優勢。·[0055]本實用新型數位化智能傾斜儀硬性好、不易變形、耐高低溫、密封性好；同時能夠··提供豐富的接口，如數字量RS232、RS485、RS422、CAN, IXD顯示，數字接口軟體協議可選，如Modbus, CAN2. Oa或Can2. Ob等，模擬量電壓和電流，模擬量輸出範圍可設置。此外，本實用新型數字傾斜儀內部軟體集成了自標定算法，能夠在外部簡單的操作實現數字傾斜儀本身數字自動標定。這裡本實用新型的描述和應用是說明性的，並非想將本實用新型的範圍限制在上述實施例中。這裡所披露的實施例的變形和改變是可能的，對於那些本領域的普通技術人員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領域技術人員應該清楚的是，在不脫離本實用新型的精神或本質特徵的情況下，本實用新型可以以其它形式、結構、布置、比例，以及用其它組件、材料和部件來實現。在不脫離本實用新型範圍和精神的情況下，可以對這裡所披露的實施例進行其它變形和改變。
權利要求1.一種數位化智能傾斜儀，其特徵在於，所述傾斜儀包括 傾角傳感器，用以生成傾斜角度的模擬信號，並予以輸出； 濾波單元，與所述傾角傳感器連接，用以對所述傾角傳感器輸出的模擬信號進行濾波； 處理器，與所述濾波單元連接，用以對傾角傳感器輸出的經過濾波的模擬信號進行高精度模數轉換，在處理器內作數位訊號濾波，真實地反映出傾角輸出信息，並對數字處理後的信號進行角度轉換； 數顯分度轉臺，與所述處理器連接，用以對傾角傳感器作線性補償所需的數據作測試，計算出合適的線性標定係數；所述處理器進一步利用數顯分度轉臺計算出的線性標定係數對測量的角度數據作線性補償； GPS單元，與所述處理器連接，提供測量體軌跡、位置、及輔助重力加速度計的修正、時間信息、航向角信息； 電源系統，與所述傾角傳感器、濾波單元、處理器、數顯分度轉臺、GPS單元連接，用以提供電源。
2.根據權利要求I所述的數位化智能傾斜儀，其特徵在於 所述GPS單元包括 GPS天線； GPS主體，用於對傾角傳感器做重力加速度計修正；並給出位置信息、速度信息，由處理器根據預設的所述GPS天線距離，解算出航向角度信息；所述GPS主體給出的位置信息、速度信息由處理器通過232輸出接口、或485輸出接口、或422輸出接口、或CAN接口輸出，清晰地繪製出測量體的運動軌跡。
3.根據權利要求I所述的數位化智能傾斜儀，其特徵在於 所述濾波單元為硬體濾波單元，用以對傾角傳感器輸出的模擬信號帶寬內濾波。
4.根據權利要求I所述的數位化智能傾斜儀，其特徵在於 所述傾斜儀進一步包括高低溫溫度箱，用以對傾斜儀的零點溫漂做補償。
5.根據權利要求I所述的數位化智能傾斜儀，其特徵在於 所述傾斜儀進一步包括高低溫溫度箱，用以對傾斜儀的靈敏度溫漂做補償。
6.根據權利要求I所述的數位化智能傾斜儀，其特徵在於 所述傾斜儀進一步包括232輸出接口、485輸出接口、422輸出接口、V/I輸出接口、IXD輸出接口、CAN接口 ； 所述處理器為內置24bit模數轉化單元AD的MCU。
7.根據權利要求I所述的數位化智能傾斜儀，其特徵在於 所述GPS單元與傾角傳感器連接，用於對傾角傳感器做重力加速度計修正，減少不同位置的重力加速度不同對傾角傳感器測量值得影響。
8.根據權利要求I所述的數位化智能傾斜儀，其特徵在於 所述GPS單元與傾角傳感器、處理器連接，用於給出位置、速度信息，由處理器根據預設的GPS天線距離，解算出航向角度信息，並輸出橫滾、俯仰、航向三維姿態角度信息。
9.根據權利要求I所述的數位化智能傾斜儀，其特徵在於 所述GPS單元與傾角傳感器、處理器連接，用於給出位置信息、速度信息，由處理器通過232輸出接口、或485輸出接口、或422輸出接口、或CAN接口輸出，配合好用戶上位機，繪製出測量體的運動軌跡。·
專利摘要本實用新型揭示了一種數位化智能傾斜儀，包括傾角傳感器、濾波單元、濾波單元、處理器、數顯分度轉臺、GPS單元、電源系統。傾角傳感器用以生成傾斜角度的模擬信號；濾波單元用以對所述傾角傳感器輸出的模擬信號進行濾波；處理器用以對傾角傳感器輸出的經過濾波的模擬信號進行高精度模數轉換，在處理器內作數位訊號濾波；數顯分度轉臺用以對傾角傳感器作線性補償所需的數據作測試，計算出合適的線性標定係數；GPS單元提供測量體軌跡、位置、及輔助重力加速度計的修正、時間信息、航向角信息。本實用新型可提高橫滾、俯仰的測量精度，同時實現位置定位、運動狀態監控及測量過程中的數據實時性。
文檔編號G01C21/00GK202757607SQ20122029275
公開日2013年2月27日 申請日期2012年6月20日 優先權日2012年6月20日
發明者張峰 申請人:上海輝格科技發展有限公司