複雜環境下多功能調試臺的水平傾角的測量方法及裝置與流程

2023-05-15 01:33:56

本發明涉及慣性測試領域，特別是涉及一種複雜環境下多功能調試臺的水平傾角的測量方法及裝置。

背景技術：

多功能調試臺是一種用於大型設備進行組裝和調試的多功能操作平臺，主要部分為機械平臺和控制系統。機械平臺可以承載大型待組裝和調試的設備，並能夠垂直升降和水平旋轉。控制系統通過多功能調試臺上的傳感器輸出進行監測和控制機械平臺按照操作指令正常運轉，並精確到達指令位置和高度。為了精確控制機械平臺，我們需要精確知道平臺每一時刻的位置，其中很關鍵的便是機械平臺的水平傾角。水平傾角測量的精度直接影響控制系統對平臺的控制精度。

目前，現有的多功能調試臺水平傾角測量方式為基於雙軸加速度計輸出的測量方法。這是因為大部分多功能調試臺的工作環境相對良好，基本處於準靜態條件，環境幹擾較小可以忽略，可以直接採用加速度計對重力加速度的敏感原理來測量水平傾角。但是，當多功能調試臺處於比較惡劣的動態複雜環境中時，旋轉運動產生的幹擾向心加速度和線加速運動產生的幹擾線加速度會對加速度計的輸出產生影響，導致加速度計的輸出誤差增大。這進一步導致多功能調試臺的水平傾角測量會產生不同程度的誤差，並進而影響平臺上設備組裝和調試的精度。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種複雜環境下多功能調試臺的水平傾角的測量方法，可提高水平傾角的測量精度。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

一種複雜環境下多功能調試臺的水平傾角的測量方法，所述測量方法包括：

獲取設置在調試臺上的陀螺儀採集的角速度和加速度計採集的加速度；

根據加速度計相對於調試臺的旋轉軸的距離、所述角速度及加速度計算基於加速度計的水平傾角；

根據所述角速度確定計算基於陀螺儀的水平傾角；

根據所述基於加速度計的水平傾角和基於陀螺儀的水平傾角確定所述調試臺的線加速運行時的幹擾情況及當前水平傾角；如果線加速運行的幹擾大，則所述基於陀螺儀的水平傾角為當前水平傾角；否則，根據所述基於加速度計的水平傾角和基於陀螺儀的水平傾角確定當前水平傾角。

可選的，所述基於加速度計的水平傾角的計算方法包括：

根據所述角速度和所述加速度計相對調試臺的旋轉軸的距離計算旋轉運動導致的幹擾向心加速度；

根據所述加速度對所述幹擾向心加速度進行補償，獲得補償向心加速度；

根據所述補償向心加速度確定基於加速度計的水平傾角。

可選的，所述基於陀螺儀的水平傾角的計算方法包括：對所述陀螺儀輸出的角速度進行積分。

可選的，所述確定所述調試臺的線加速運行的幹擾情況的方法包括：

分別計算所述基於加速度計的水平傾角的角度增量及所述基於陀螺儀的水平傾角的角度增量；

計算所述基於加速度計的水平傾角的角度增量與所述基於陀螺儀的水平傾角的角度增量的角度增量差值；

比較所述角度增量差值與設定閾值的大小確定幹擾情況，當所述角度增量差值大於設定閾值時，則確定線加速運行的幹擾大；否則確定線加速運行的幹擾小。

可選的，根據以下公式確定當前水平傾角：

當前的水平傾角＝基於陀螺儀的水平傾角，線加速運行的幹擾大；

當前的水平傾角＝α×基於加速度計的水平傾角+(1-α)×基於陀螺儀的水平傾角，線加速運行的幹擾小；其中，α表示所述基於加速度計的水平傾角的權值。

可選的，α根據所述基於加速度計的水平傾角的角度增量及所述基於陀螺儀的水平傾角的角度增量確定。

可選的，所述水平傾角包括水平俯仰角和水平橫滾角。

根據本發明提供的具體實施例，本發明公開了以下技術效果：

本發明複雜環境下多功能調試臺的水平傾角的測量方法根據陀螺儀採集的角速度和加速度計採集的加速度確定基於加速度計的水平傾角和基於陀螺儀的水平傾角，進而確定調試臺的線加速運行時的幹擾情況，根據線加速運行的幹擾情況確定不同的當前水平傾角，從而可降低複雜環境下的幹擾造成的誤差，有效提高水平傾角的測量精度。

本發明的目的是提供一種複雜環境下多功能調試臺的水平傾角的測量裝置，可提高水平傾角的測量精度。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

一種複雜環境下多功能調試臺的水平傾角的測量裝置，所述測量裝置包括：

獲取模塊，與設置在調試臺上的陀螺儀和加速度計連接，用於獲取所述陀螺儀採集的角速度和所述加速度計採集的加速度；

第一計算模塊，與所述獲取模塊連接，用於根據加速度計相對於調試臺的旋轉軸的距離、所述角速度及加速度計算基於加速度計的水平傾角；

第二計算模塊，與所述獲取模塊連接，用於根據所述角速度計算基於陀螺儀的水平傾角；

確定模塊，用於根據所述基於加速度計的水平傾角和基於陀螺儀的水平傾角確定所述調試臺的線加速運行時的幹擾情況及當前水平傾角；如果線加速運行的幹擾大，則所述基於陀螺儀的水平傾角為當前水平傾角；否則，根據所述基於加速度計的水平傾角和基於陀螺儀的水平傾角確定當前水平傾角。

可選的，所述第一計算模塊包括：

加速度計算單元，用於根據所述角速度和所述加速度計相對調試臺的旋轉軸的距離計算旋轉運動導致的幹擾向心加速度；

補償單元，用於根據所述加速度對所述幹擾向心加速度進行補償，獲得補償向心加速度；

傾角計算單元，根據所述補償向心加速度確定基於加速度計的水平傾角。

可選的，所述確定模塊包括：

增量計算單元，用於分別計算所述基於加速度計的水平傾角的角度增量及所述基於陀螺儀的水平傾角的角度增量；

差值計算單元，用於計算所述基於加速度計的水平傾角的角度增量與所述基於陀螺儀的水平傾角的角度增量的角度增量差值；

比較單元，用於比較所述角度增量差值與設定閾值的大小確定幹擾情況，當所述角度增量差值大於設定閾值時，則確定線加速運行的幹擾大；否則確定線加速運行的幹擾小；

傾角確定單元，與所述比較單元連接，用於根據所述比較單元的比較結果確定當前傾角。

相對於現有技術，本發明複雜環境下多功能調試臺的水平傾角的測量裝置與上述複雜環境下多功能調試臺的水平傾角的測量方法的有益效果相同，在此不再贅述。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明複雜環境下多功能調試臺的水平傾角的測量方法的流程圖；

圖2為本發明複雜環境下多功能調試臺的水平傾角的測量裝置的模塊結構圖。

符號說明：

獲取模塊1第一計算模塊2

第二計算模塊3確定模塊4。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

本發明的目的是提供一種複雜環境下多功能調試臺的水平傾角的測量方法，根據陀螺儀採集的角速度和加速度計採集的加速度確定基於加速度計的水平傾角和基於陀螺儀的水平傾角，進而確定調試臺的線加速運行的幹擾情況，根據線加速運行的幹擾情況確定不同的當前水平傾角，可降低複雜環境下的幹擾造成的誤差，有效提高水平傾角的測量精度。

為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

如圖1所示，本發明複雜環境下多功能調試臺的水平傾角的測量方法包括：

步驟100：獲取設置在調試臺上的陀螺儀採集的角速度和加速度計採集的加速度；

步驟200：根據加速度計相對於調試臺的旋轉軸的距離、所述角速度及加速度計算基於加速度計的水平傾角；

步驟300：根據所述角速度確定計算基於陀螺儀的水平傾角；

步驟400：根據所述基於加速度計的水平傾角和基於陀螺儀的水平傾角確定所述調試臺的線加速運行時的幹擾情況及當前水平傾角；如果線加速運行的幹擾大，則所述基於陀螺儀的水平傾角為當前水平傾角；否則，根據所述基於加速度計的水平傾角和基於陀螺儀的水平傾角確定當前水平傾角。

在步驟100中，所述調試臺上安裝的三個互相正交的陀螺儀(即沿x、y、z軸上各設置有一個)和兩個互相垂直的加速度計，各所述陀螺儀輸出的角速度分別為ω＝[ωx(i)ωy(i)ωz(i)]，i表示採樣時刻，各所述加速度計距離調試臺旋轉軸的距離分別為rx和ry。

在步驟200中，所述基於加速度計的水平傾角的計算方法包括：

步驟210：根據所述角速度和所述加速度計相對調試臺的旋轉軸的距離計算旋轉運動導致的幹擾向心加速度。

根據以下公式確定所述幹擾向心加速度：

fωy_x＝ωy(i)2·rx(1)

fωz_x＝ωz(i)2·rx(2)

fωx_y＝ωx(i)2·ry(3)

fωz_y＝ωz(i)2·ry(4)；

其中，fωy_x表示為y軸的旋轉運動在x軸方向產生的幹擾向心加速度，fωz_x表示為z軸的旋轉運動在x軸方向產生的幹擾向心加速度；fωx_y表示為x軸旋轉運動在y軸方向產生的幹擾向心加速度，fωz_y表示為z軸的旋轉運動在y軸方向產生的幹擾向心加速度。

步驟220：根據所述加速度對所述幹擾向心加速度進行補償，獲得補償向心加速度。

步驟230：根據所述補償向心加速度確定基於加速度計的水平傾角。

所述調試臺上的安裝的互相垂直的兩個加速度計的輸出的比力信息分別為f＝[fxfy]，補償旋轉運動引起的幹擾向心加速度之後可以計算基於加速度計的水平傾角，所述水平傾角包括水平俯仰角和水平橫滾角。具體如下：

其中，中θa為基於加速度計的水平俯仰角，γa為基於加速度計的水平橫滾角，g為當地的重力加速度。

在步驟300中，所述基於陀螺儀的水平傾角的計算方法包括：對所述陀螺儀輸出的角速度進行積分。

具體的，利用x軸和y軸上陀螺儀輸出角速度進行積分計算即可得到多功能調試臺的水平傾角為：

由於積分周期t較小，利用上一時刻計算的準確角度，可得基於陀螺儀計算的水平傾角為：(9)

θω(i)＝θω(i-1)+ωx(i)·t(9)

γω(i)＝γω(i-1)+ωy(i)·t(10)

θω為基於陀螺儀的水平俯仰角，θω(i)為第i時刻的基於陀螺儀的水平俯仰角，γω為基於陀螺儀的水平橫滾角，γω(i)為第i時刻的基於陀螺儀的水平橫滾角，t表示採樣周期。

在步驟400中，所述確定所述調試臺的線加速運行的幹擾情況的方法包括：

步驟410：分別計算所述基於加速度計的水平傾角的角度增量及所述基於陀螺儀的水平傾角的角度增量。

具體的，可以根據以下公式分別確定對應的角度增量：

δθω(i)＝ωx(i)·t(11)

δθa(i)＝θa(i)-θa(i-1)(12)

δγω(i)＝ωy(i)·t(13)

δγa(i)＝γa(i)-γa(i-1)(14)

δθω為基於陀螺儀的水平俯仰角(即x軸)的角度增量，δγω為基於陀螺儀的水平橫滾角(即y軸)的角度增量，δθa為基於加速度計的水平俯仰角(即x軸)的角度增量，δγa為基於加速度計的水平橫滾角(即y軸)的角度增量。

步驟420：計算所述基於加速度計的水平傾角的角度增量與所述基於陀螺儀的水平傾角的角度增量的角度增量差值。

其中，所述角度增量差值包括水平俯仰角(或x軸)的角增量差值fa_x和水平橫滾角(或y軸)的角增量差值fa_y，具體的：

fa_x＝|δθa-δθω|(15)

fa_y＝|δγa-δγω|(16)。

步驟430：比較所述角度增量差值與設定閾值的大小確定幹擾情況，當所述角度增量差值大於設定閾值時，則確定線加速運行的幹擾大；否則確定線加速運行的幹擾小。

角增量差值fa_x和fa_y反應了線加速度幹擾運動的大小情況。若線加速幹擾運動較大，則fa_x和fa_y較大，同理，若線加速幹擾運動較小，則fa_x和fa_y則較小。

具體的，fa_x＞χx時，說明在x軸方向上加速度計輸出中包含的線加速運動幹擾較大，否則說明在x軸方向上加速度計輸出中包含的線加速運動幹擾較小；fa_y＞χy時，說明在y軸方向上加速度計輸出中包含的線加速運動幹擾較大，否則說明在y軸方向上加速度計輸出中包含的線加速運動幹擾較小。其中，χx表示x軸的設定閾值，χy表示y軸的設定閾值。

進一步地，在確定線加速運動幹擾情況後，根據幹擾的大小確定當前水平傾角。具體的：

當前的水平傾角＝基於陀螺儀的水平傾角，線加速運行的幹擾大；

當前的水平傾角＝α×基於加速度計的水平傾角+(1-α)×基於陀螺儀的水平傾角，線加速運行的幹擾小；其中，α表示所述基於加速度計的水平傾角的權值。進一步地，α根據所述基於加速度計的水平傾角的角度增量及所述基於陀螺儀的水平傾角的角度增量確定。

例如，當fa_x＞χx時，當前水平俯仰角θ為：

θ＝θω(17)；

當fa_x≤χx時，當前水平俯仰角θ為：

θ＝(1-α)·θa+α·θω(18)。

在本實施例中，α(0≤α≤1)的數值根據水平俯仰角的角增量差值fa_x確定，即：

α∝|fa_x|(19)；

即權值α可以根據加速度計計算傾角θa和陀螺儀計算傾角θω進行比較確定：

α∝|(θa-θω)-ωx·t|(20)。

同理，當前水平橫滾角γ也可通過上述類似方法計算得到，在此不再重複說明。

陀螺儀可以測量出調試臺旋轉的角速度，在安裝時可以知道加速度計距離調試臺旋轉軸的距離信息。因此，可以根據陀螺儀的輸出和加速度計的安裝位置信息計算得出複雜環境下旋轉運動對調試臺兩個水平方向產生的幹擾向心加速度，並在加速度計的輸出中進行補償。陀螺儀測量的角速度進行積分便可以得到旋轉的角度，但是由於陀螺儀器件誤差的存在不可避免，如果只用陀螺儀進行傾角測量，則測量結果會隨時間不斷發散。基於加速度計輸出計算的水平傾角雖然補償了幹擾向心加速度，但是當存在線加速運動幹擾時仍然會使得基於加速度計的傾角解算存在較大誤差。通過計算兩種傾角解算方法的角增量差來對線加速幹擾運動進行判斷和處理。若角增量差過大，則認為線加速運動幹擾較大，只使用陀螺儀計算水平傾角。否則，採用互補濾波的方式對兩種傾角解算結果進行數據融合，得到調試臺準確的水平傾角。這樣處理，一方面可以對陀螺儀誤差漂移進行校正，另一方面也可以補償加速度計的動態誤差。

本發明與現有技術相比的優點在於：

(1)本發明複雜環境下多功能調試臺的水平傾角的測量方法不僅可以在常規準靜態環境下測量多功能調試臺的水平傾角，也可以實現複雜動態環境下多功能調試臺水平傾角的準確測量，適用範圍更廣，準確度更高；

(2)本複雜環境下多功能調試臺的水平傾角的測量方法克服了複雜環境下傾角測量幹擾大，誤差難以補償的問題，不僅對複雜環境中的旋轉運動幹擾誤差進行了計算和補償，同時也對線加速運動幹擾誤差進行了處理。通過互補濾波一方面對陀螺誤差漂移進行了校正，另一方面也補償了加速度計的動態測量誤差，從而實現了複雜環境下多功能調試臺水平傾角的準確測量。

本發明還提供一種複雜環境下多功能調試臺的水平傾角的測量裝置。如圖2所示，本發明複雜環境下多功能調試臺的水平傾角的測量裝置包括：獲取模塊1、第一計算模塊2、第二計算模塊3及確定模塊4。

其中，所述獲取模塊1與設置在調試臺上的陀螺儀和加速度計連接，用於獲取所述陀螺儀採集的角速度和所述加速度計採集的加速度；所述第一計算模塊2與所述獲取模塊1連接，用於根據加速度計相對於調試臺的旋轉軸的距離、所述角速度及加速度計算基於加速度計的水平傾角；所述第二計算模塊3與所述獲取模塊1連接，用於根據所述角速度計算基於陀螺儀的水平傾角；所述確定模塊4根據所述基於加速度計的水平傾角和基於陀螺儀的水平傾角確定所述調試臺的線加速運行時的幹擾情況及當前水平傾角；如果線加速運行的幹擾大，則所述基於陀螺儀的水平傾角為當前水平傾角；否則，根據所述基於加速度計的水平傾角和基於陀螺儀的水平傾角確定當前水平傾角。所述水平傾角包括水平俯仰角和水平橫滾角

所述調試臺上安裝的三個互相正交的陀螺儀(即沿x、y、z軸上各設置有一個)和兩個互相垂直的加速度計，各所述陀螺儀輸出的角速度分別為ω＝[ωx(i)ωy(i)ωz(i)]，i表示採樣時刻，各所述加速度計距離調試臺旋轉軸的距離分別為rx和ry。

其中，所述第一計算模塊2包括加速度計算單元、補償單元及傾角計算單元。其中，所述加速度計算單元根據所述角速度和所述加速度計相對調試臺的旋轉軸的距離計算旋轉運動導致的幹擾向心加速度；所述補償單元根據所述加速度對所述幹擾向心加速度進行補償，獲得補償向心加速度；所述傾角計算單元根據所述補償向心加速度確定基於加速度計的水平傾角。

具體的，所述加速度計算單元根據以下公式確定所述幹擾向心加速度：

fωy_x＝ωy(i)2·rx(1)

fωz_x＝ωz(i)2·rx(2)

fωx_y＝ωx(i)2·ry(3)

fωz_y＝ωz(i)2·ry(4)；

其中，fωy_x表示為y軸的旋轉運動在x軸方向產生的幹擾向心加速度，fωz_x表示為z軸的旋轉運動在x軸方向產生的幹擾向心加速度；fωx_y表示為x軸旋轉運動在y軸方向產生的幹擾向心加速度，fωz_y表示為z軸的旋轉運動在y軸方向產生的幹擾向心加速度。

所述調試臺上的安裝的互相垂直的兩個加速度計的輸出的比力信息分別為f＝[fxfy]，補償旋轉運動引起的幹擾向心加速度之後可以計算基於加速度計的水平傾角，所述水平傾角包括水平俯仰角和水平橫滾角。具體如下：

其中，中θa為基於加速度計的水平俯仰角，γa為基於加速度計的水平橫滾角，g為當地的重力加速度。

所述第二計算單元3通過對所述陀螺儀輸出的角速度進行積分。

具體的，利用x軸和y軸上陀螺儀輸出角速度進行積分計算即可得到多功能調試臺的水平傾角為：

由於積分周期t較小，利用上一時刻計算的準確角度，可得基於陀螺儀計算的水平傾角為：(9)

θω(i)＝θω(i-1)+ωx(i)·t(9)

γω(i)＝γω(i-1)+ωy(i)·t(10)

θω為基於陀螺儀的水平俯仰角，θω(i)為第i時刻的基於陀螺儀的水平俯仰角，γω為基於陀螺儀的水平橫滾角，γω(i)為第i時刻的基於陀螺儀的水平橫滾角，t表示採樣周期。

可選的，所述確定模塊4包括增量計算單元、差值計算單元、比較單元及傾角確定單元。其中，所述增量計算單元分別計算所述基於加速度計的水平傾角的角度增量及所述基於陀螺儀的水平傾角的角度增量；所述差值計算單元計算所述基於加速度計的水平傾角的角度增量與所述基於陀螺儀的水平傾角的角度增量的角度增量差值；所述比較單元比較所述角度增量差值與設定閾值的大小確定幹擾情況，當所述角度增量差值大於設定閾值時，則確定線加速運行的幹擾大；否則確定線加速運行的幹擾小；所述傾角確定單元，與所述比較單元連接，用於根據所述比較單元的比較結果確定當前傾角。

具體的，當前的水平傾角＝基於陀螺儀的水平傾角，線加速運行的幹擾大；

當前的水平傾角＝α×基於加速度計的水平傾角+(1-α)×基於陀螺儀的水平傾角，線加速運行的幹擾小；其中，α表示所述基於加速度計的水平傾角的權值。本發明複雜環境下多功能調試臺的水平傾角的測量裝置採用互補濾波的方式，根據基於加速度計的水平傾角和基於陀螺儀的水平傾角確定當前水平傾角，可大大提高測量的真實性和準確性。

本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。