基于加速度計和陀螺儀的載體轉速與轉角補償測量方法
【專利摘要】本發明是一種基于加速度計和陀螺儀的載體轉速與轉角補償測量方法,屬于慣性傳感器與測量【技術領域】。本發明方法同時采用三軸加速度計和單軸陀螺儀對載體轉動的轉角進行估計，充分利用其在測量頻域上的互補性，得到準確的載體轉角估計結果。同時，通過該結果計算得到的載體轉速，相比于直接利用陀螺儀測量得到的載體轉速，可以保持與載體轉角持續的一致性。本方法的傳感器可以安裝于載體旋轉平面上的任意位置，不依賴于載體確定的旋轉中心和旋轉半徑，因此不需要對載體進行物理尺寸、旋轉中心、旋轉半徑的測量，并可對旋轉中心和旋轉半徑變化的運動載體進行測量，這極大地簡化了測量的復雜性，提高了該方法的適用范圍。
【專利說明】基于加速度計和陀螺儀的載體轉速與轉角補償測量方法
【技術領域】
[0001]本發明是一種基于加速度計和陀螺儀的載體轉速與轉角補償測量方法，屬于慣性傳感器與測量【技術領域】。
【背景技術】
[0002]對運動載體轉速和轉角測量方法的研究一直是自動化、測量控制領域當中的基礎研究，對載體轉速與轉角的測量可廣泛見于多種不同領域的不同應用場合。轉動角速度和轉動角度是描述一個旋轉運動物體運動狀態的重要參數，它表征了被測物體在旋轉運動中的角位移及角位移的變化率。
[0003]傳統的角速度和角位移測量方法有光電編碼器測量、電磁感應測量等方法，這幾種方法均需要在載體和參照物上精確安裝光電傳感器或者霍爾傳感器，并且其測量對象只能是以固定圓心固定半徑轉動的載體，無法對非固定圓心或者非固定半徑的轉動載體進行測量；另有一種基于加速度計的轉角測量方法，測量傳感器安裝簡單，但該方法下加速度計測量值由于外力等因素干擾噪聲較大，并且需要測量載體等效旋轉半徑，在無法得知、準確測量旋轉半徑或旋轉半徑變化的情況下，這種測量方法并不適用；還有一種基于陀螺儀的測量方法，該方法利用陀螺儀直接測量載體旋轉角速度，短時間內具有較高的精度，但在求解角位移時由于其使用的方法是對角速度進行積分，長期積分之后積分結果漂移嚴重，所得角位移具有很大的累積誤差。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是為解決現有測量技術依賴于載體的物理結構和運動方式，實施復雜和誤差較大的問題，提供一種基于加速度計和陀螺儀的載體轉速與轉角補償測量方法，本發明方法中傳感器安裝簡單易行，測量結果精確可靠，長時間內不漂移發散。
[0005]為了達到上述目的，本發明提供一種基于加速度計和陀螺儀的載體轉速與轉角補償測量方法。所述載體為任意做旋轉運動的載體，所述測量的內容為在任意非水平面內做旋轉運動的載體的角速度與角位移。所述的測量方法包含以下步驟:
[0006]第一步:將傳感器和相關測量電路安裝于載體任意位置上，使得加速度計X、y軸平面與載體轉動平面平行即可，確定載體的初始轉角并記為θ@(0)；
[0007]所述傳感器包括三軸加速度計、單軸陀螺儀。
[0008]所述相關測量電路包括信號采集電路和處理電路，采集電路分別與三軸加速度計和單軸陀螺儀連接，用于采集數據，處理電路與采集電路連接，用于進行數據處理。
[0009]第二步:確定傳感器數據采樣周期T和互補濾波器數字濾波方法中的互補濾波器時間常數τ，令載體開始轉動，測量電路以采樣周期T讀取三軸加速度計和單軸陀螺儀的測量值，當前時刻η的測量值包括加速度計X軸方向上的加速度值Bx(Ii)、y軸方向上的加速度值ay (η)、陀螺儀角速度測量值rate (η)，采用移動平均方法對采集到的加速度計和陀螺儀測量值進行平穩去噪；[0010]所述采樣周期T根據實際測量需求確定。
[0011]所述互補濾波器時間常數τ根據傳感器的頻率特性決定，通常取值在0.5~5之間。
[0012]第三步:利用加速度計測量值ax (η)和\(11)計算加速度計所測載體轉角Θ acc(n)，利用陀螺儀測量值rate (η)計算陀螺儀所測載體轉角0gyM(n)。具體方法為:
[0013]所述的利用加速度計測量值計算載體轉角是利用重力加速度在X軸和y軸上分量的三角函數關系求得，當載體在非水平面內做旋轉運動時，重力加速度在加速度計的X軸和I軸上產生分量，在不考慮其他外力情況下，利用該X軸和I軸上的加速度分量根據三角關系求得:
[0014]
【權利要求】
1.基于加速度計和陀螺儀的載體轉速與轉角補償測量方法，其特征在于:具體包括如下步驟: 第一步:將傳感器和相關測量電路安裝于載體任意位置上，使得加速度計X、I軸平面與載體轉動平面平行即可，確定載體的初始轉角并記為θ@(0)； 所述傳感器包括三軸加速度計、單軸陀螺儀； 所述相關測量電路包括信號采集電路和處理電路，采集電路與傳感器連接，處理電路與采集電路連接； 第二步:確定傳感器數據采樣周期T和互補濾波器數字濾波方法中的互補濾波器時間常數τ，令載體開始轉動，測量電路以采樣周期T讀取三軸加速度計和單軸陀螺儀的測量值，當前時刻η的測量值包括加速度計X軸方向上的加速度值Bx(Ii)、y軸方向上的加速度值ay (η)、陀螺儀角速度測量值rate (η)，采用移動平均方法對采集到的加速度計和陀螺儀測量值進行平穩去噪； 第三步:利用加速度計測量值ax (η)和\(11)計算加速度計所測載體轉角θ.(η)，利用陀螺儀測量值rate (η)計算陀螺儀所測載體轉角0gyM(n);具體方法為: 所述的利用加速度計 測量值計算載體轉角是利用重力加速度在X軸和y軸上分量的三角函數關系求得，當載體在非水平面內做旋轉運動時，重力加速度在加速度計的X軸和y軸上產生分量，在不考慮其他外力情況下，利用該X軸和y軸上的加速度分量根據三角關系求得: tan O) = 4^，
ay{n) 繼而得到:
^,,(/7) = arctan^^-；

ay{n) 所述的利用陀螺儀測量值計算載體轉角是利用轉動角速度對時間積分求得；利用上一時刻轉角估計值以及當前時刻角速度測量值，并將積分運算離散化為求和運算以后可得:θ gyro(η) = Θ est(n-l)+rate(n) XT ； 第四步:根據傳感器數據采樣周期T和互補濾波器時間常數τ計算濾波器權重系數W，采用互補濾波器數字濾波方法計算載體轉角估計值Gest (η);互補濾波器數字濾波方法的具體過程為: 根據傳感器數據采樣周期和互補濾波器時間常數τ計算濾波器權重系數W，由該濾波器時間常數WxT τ =-\-W 得到: W =^—., τ + Τ 再利用互補濾波器將加速度計測量計算所得轉角θ.(η)和陀螺儀測量計算所得轉角Θ gyro(n)權重相加，得到載體轉角估計值:θ est (η) = WX θ gyro (η)+ (1-W) X θ acc (η)； 第五步:利用當前時刻載體轉角估計值Θ est(n)、上一時刻載體轉角估計值0est (n-1)和采樣周期T計算載體轉動角速度ω (η)； 所述的載體轉動角速度ω(η)的求解是利用載體轉角的估計值對時間微分得到，將微分運算離散化后得到:

2.根據權利要求1所述的基于加速度計和陀螺儀的載體轉速與轉角補償測量方法，其特征在于:所述采樣周期T根據實際測量需求確定。
3.根據權利要求1所述的基于加速度計和陀螺儀的載體轉速與轉角補償測量方法，其特征在于:所述互補濾波器時間常數τ根據傳感器的頻率特性決定，取值在0.5~5之間。
4.根據權利要求1所述的基于加速度計和陀螺儀的載體轉速與轉角補償測量方法，其特征在于:所述載體為任意做旋轉運動的載體，所述測量的內容為在任意非水平面內做旋轉運動的載體的角速度與角位移。
【文檔編號】G01C21/16GK103913171SQ201410175383
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月28日 優先權日:2014年4月28日
【發明者】王衛江, 高巍, 榮政 申請人:北京理工大學