一种基于样本测量的角度测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于样本测量的角度测量系统，用于转动的被测目标的角度测量，被测目标上布置转动控制系统，包括：多个倾角传感器及安装工装，其中倾角传感器为N个，分别安装在被测目标的N个不同位置，获得N

【技术实现步骤摘要】
一种基于样本测量的角度测量系统


[0001]本专利技术属于角度测量传感器
，尤其涉及一种基于样本测量的角度测量系统。

技术介绍

[0002]在航空航天以及军工应用场景下，很多设备作为综合应用的关键设备，其姿态信息的采集尤为重要。例如待测物支架等，一些工况下，底板起伏不平，底座的不同位置会出现横向和纵向的倾角，并且支架在升架、推流、降架、移架过程中与工作面存在耦合作用关系，因此常会出现俯仰等状态，且姿态会相应的发生变化，尤其是推进到一定的工作周期情况下，支架姿态会发生更剧烈的变化，如果此时不能获得包含安装工装的姿态信息，会对被测物以及传感器自身机构造成一定损坏。
[0003]目前MEMS倾角传感器在低成本姿态角度测量中得到广泛应用，倾角传感器在静止和匀速运动状态下，测量角度转却，但是极易受到其他加速度的影响。如果在被测物升降过程中发生变加速运动，则倾角传感器感知的是惯性加速度和运动加速度的叠加值。由于运动加速度的影响，使得倾角测量不准确。当然，也可以采用MEMS陀螺仪进行替代，其具有良好的动态特性，不受加速度的影响，可以弥补倾角传感器受运动加速度影响的不足，然而陀螺仪容易受到噪声、振动及温度变化等因素干扰而产生随机漂移误差，再加上传感器本身存在常值漂移误差，随着时间的推移，偏转角度存在一定的累积计算误差，单一陀螺仪无法保证长时间姿态角度测量的准确性。
[0004]当然，现有技术也有采用例如互补滤波算法和卡尔曼滤波算法对传感器数据进行融合校正，然而由于这些算法的基础数据并不来自于位置的角度实际测量结果，因此其标定和校正与实际测量过程仍然存在较大的误差，所解算的角度仍然与实际情况存在差异。
[0005]因此，上述的现有技术确实有待提出更佳解决方案的必要性。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种基于样本测量的角度测量系统，采用传统的倾角传感器，将多个位置的角度测量结果作为标定样本后开展后续的角度测量，使得角度测量结果更加精确。
[0007]本专利技术第一方面提供一种基于样本测量的角度测量系统，用于转动的被测目标的角度测量，所述被测目标上布置转动控制系统，包括：多个倾角传感器1及安装工装，其中所述倾角传感器为N个，分别安装在被测目标的N个不同位置，获得N
‑
1个样本测量值,将N
‑
1个位置的角度测量结果作为标定样本后获得最后的一个角度测量值；采集控制装置2，用于适配第一供电条件对倾角传感器进行供电，对倾角传感器进行通信管理，将串口通信转换为以太网通信；上位机3，用于人机交互，配合所述被测目标的转动控制系统对被测目标的运动进
行测量、存储和显示；以及测试电缆，用于采集控制装置2与多个倾角传感器1之间的连接。
[0008]优选的，所述倾角传感器基于重力测量原理对被测目标相对于大地坐标系下的姿态信息进行测量，并将大地坐标系下的姿态信息投影到被测目标表面上，通过相对角度变化计算，得出被测目标的相对角度变化量，使用加速度计测量重力分量，从而获取测量轴相对于重力的夹角，重力加速度g的方向始终垂直向下，当测量轴水平时，加速度计测量的重力分量为零，当加速度计垂直向上时，测量值等于重力，当测量轴与水平面有倾斜夹角时，加速度计测量到重力在该方向上的分量；X轴加速度计输出与重力加速度g有以下关系：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）；式（1）中，是X轴加速度计输出的加速度信息，g是以重力为参考的加速度值，是传感器倾斜角度，也即是被测目标的倾斜角度；由此可以解算出角度值信息：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）。
[0009]在倾角传感器测量姿态角度的基础上进行适应性改进，将大地坐标系下的姿态信息投影到被测目标的表面上，通过相对角度变化计算，得出被测目标的相对角度变化量。
[0010]优选的，所述系统包含四个倾角传感器，安装在被测目标的表面以及影响姿态的关键部位。
[0011]优选的，所述倾角传感器1为MEMS倾角传感器。
[0012]优选的，所述第一供电条件为220V/50Hz供电条件，所述采集控制装置由电源模块21、网关22、分线器23、箱体24、开关25、前面板26、后面板27和上盖板28组成；所述电源模块21用于将220V/50Hz供电转换为12V供电，分别给网关和倾角传感器供电；所述网关22用于将RS485通信转换为以太网通信；所述分线器23用于多路信号和供电的整合；所述箱体的前面板26上设置开关25，用于整个系统加电；所述后面板27设置多个连接器，所述多个连接器分别用于外部供电，用于与倾角传感器供电和通信以及用于与上位机通信。
[0013]优选的，所述多个连接器包括：插座网口连接器271，用于与上位机3通信；5芯金属插座272，用于与倾角传感器1通信；电源进线273，用于外部供电以及与倾角传感器1供电。
[0014]优选的，所述电源模块为220V/50Hz交流转直流电源模块，电源模块的电源输入为交流220V/50Hz；电源输出为直流12V/10A；保护形式为过流保护、过压保护、过温保护；工作温度范围为
‑
20℃~60℃；贮存温度范围为
‑
40℃~85℃。
[0015]优选的，所述网关22为RS485转以太网模块，利用RS485总线模式，可实现最多不大于255个RS485节点的通信转发，通信转接模块包括：支持RS232、RS422、RS485协议；支持UDP协议；供电电压范围为9V~35V；工作温度范围为
‑
20℃~60℃；贮存温度范围为
‑
40℃~85℃。
[0016]优选的，所述上位机3与网关22通过以太网连接，传输协议采用UDP传输；上位机软件划分为设备列表模块、测试操作模块和记录查询模块三个模块。设备列表模块用于设备信息的更新和维护；测试操作模块根据测试流程划分为测量部位选择子模块、设备初始化子模块、安装位置判定子模块、开始校准子模块、获取零位值子模块、开始/结束测量子模块以及复位子模块；记录查询模块用于测量数据的查询和导出。
[0017]作为优选的实施方式，所述上位机软件流程包括：通过设备列表模块对设备进行修改；通过记录查询模块进行列表查看和导出；测试时，选择测量部位同时按下初始化按钮，实施开机握手，如果握手结果全部完成后，需要检测是否存在异常，如果不存在异常，则通过弹框形式确认是否继续，如果继续则开机初始化，如果确认不继续，则返回到初始化按钮；如果握手结果异常，则按照间隔时间启动超时机制，超时的情况下进行异常标识并返回到初始化按钮，未超时的情况则返回开机握手；确定开机初始化完成后进行工况选择并进行位置判定，根据样本测量的结果选择校准方式，所述校准方式包括不校准、上次校准或者校准；基于所选择的校准方式发送校准命令，如果校准成功，则返回零位值并开始测量，如果校准失败，则需要重新校准；确定返回零位值后开始测量，选择连续或者单步测量的方式，对于连续测量方式，需要手动结束测量后复位，对于单步测量方式，自动结束测量。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于样本测量的角度测量系统，其特征在于，用于转动的被测目标的角度测量，所述被测目标上布置转动控制系统，包括：多个倾角传感器（1）及安装工装，其中所述倾角传感器为N个，分别安装在被测目标的N个不同位置，获得N
‑
1个样本测量值,将N
‑
1个位置的角度测量结果作为标定样本后获得最后的一个角度测量值；采集控制装置（2），用于适配第一供电条件对倾角传感器进行供电，对倾角传感器进行通信管理，将串口通信转换为以太网通信；上位机（3），用于人机交互，配合所述被测目标的转动控制系统对被测目标的运动进行测量、存储和显示；以及测试电缆，用于采集控制装置（2）与多个倾角传感器（1）之间的连接。2.根据权利要求1所述的一种基于样本测量的角度测量系统，其特征在于，所述倾角传感器基于重力测量原理对被测目标相对于大地坐标系下的姿态信息进行测量，并将大地坐标系下的姿态信息投影到被测目标表面上，通过相对角度变化计算，得出被测目标的相对角度变化量，使用加速度计测量重力分量，从而获取测量轴相对于重力的夹角，重力加速度g的方向始终垂直向下，当测量轴水平时，加速度计测量的重力分量为零，当加速度计垂直向上时，测量值等于重力，当测量轴与水平面有倾斜夹角时，加速度计测量到重力在该方向上的分量；X轴加速度计输出与重力加速度g有以下关系：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）；式（1）中，是X轴加速度计输出的加速度信息，g是以重力为参考的加速度值，是传感器倾斜角度，也即是被测目标的倾斜角度；由此可以解算出角度值信息：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）；在倾角传感器测量姿态角度的基础上进行适应性改进，将大地坐标系下的姿态信息投影到被测目标的表面上，通过相对角度变化计算，得出被测目标的相对角度变化量。3.根据权利要求1所述的一种基于样本测量的角度测量系统，其特征在于，所述系统包含四个倾角传感器，安装在被测目标的表面以及影响姿态的关键部位。4.根据权利要求1所述的一种基于样本测量的角度测量系统，其特征在于，所述倾角传感器（1）为MEMS倾角传感器。5.根据权利要求1所述的一种基于样本测量的角度测量系统，其特征在于，所述第一供电条件为220V/50Hz供电条件，所述采集控制装置由电源模块（21）、网关（22）、分线器（23）、箱体（24）、开关（25）、前面板（26）、后面板（27）和上盖板（28）组成；所述电源模块（21）用于将220V/50Hz供电转换为12V供电，分别给网关和倾角...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋高顺，高宝龙，郑峰，任少康，陈庆志，
申请(专利权)人：航天极创物联网研究院南京有限公司，
类型：发明
国别省市：