[发明专利]基于加速度计和陀螺仪的载体转速与转角补偿测量方法

说明书

技术领域

本发明是一种基于加速度计和陀螺仪的载体转速与转角补偿测量方法,属于惯性传感器与测量技术领域。

背景技术

对运动载体转速和转角测量方法的研究一直是自动化、测量控制领域当中的基础研究，对载体转速与转角的测量可广泛见于多种不同领域的不同应用场合。转动角速度和转动角度是描述一个旋转运动物体运动状态的重要参数，它表征了被测物体在旋转运动中的角位移及角位移的变化率。

传统的角速度和角位移测量方法有光电编码器测量、电磁感应测量等方法，这几种方法均需要在载体和参照物上精确安装光电传感器或者霍尔传感器，并且其测量对象只能是以固定圆心固定半径转动的载体，无法对非固定圆心或者非固定半径的转动载体进行测量；另有一种基于加速度计的转角测量方法，测量传感器安装简单，但该方法下加速度计测量值由于外力等因素干扰噪声较大，并且需要测量载体等效旋转半径，在无法得知、准确测量旋转半径或旋转半径变化的情况下，这种测量方法并不适用；还有一种基于陀螺仪的测量方法，该方法利用陀螺仪直接测量载体旋转角速度，短时间内具有较高的精度，但在求解角位移时由于其使用的方法是对角速度进行积分，长期积分之后积分结果漂移严重，所得角位移具有很大的累积误差。

发明内容

本发明的目的是为解决现有测量技术依赖于载体的物理结构和运动方式，实施复杂和误差较大的问题，提供一种基于加速度计和陀螺仪的载体转速与转角补偿测量方法，本发明方法中传感器安装简单易行，测量结果精确可靠，长时间内不漂移发散。

为了达到上述目的，本发明提供一种基于加速度计和陀螺仪的载体转速与转角补偿测量方法。所述载体为任意做旋转运动的载体，所述测量的内容为在任意非水平面内做旋转运动的载体的角速度与角位移。所述的测量方法包含以下步骤：

第一步：将传感器和相关测量电路安装于载体任意位置上，使得加速度计x、y轴平面与载体转动平面平行即可，确定载体的初始转角并记为θ_est(0)；

所述传感器包括三轴加速度计、单轴陀螺仪。

所述相关测量电路包括信号采集电路和处理电路，采集电路分别与三轴加速度计和单轴陀螺仪连接，用于采集数据，处理电路与采集电路连接，用于进行数据处理。

第二步：确定传感器数据采样周期T和互补滤波器数字滤波方法中的互补滤波器时间常数τ，令载体开始转动，测量电路以采样周期T读取三轴加速度计和单轴陀螺仪的测量值，当前时刻n的测量值包括加速度计x轴方向上的加速度值a_x(n)、y轴方向上的加速度值a_y(n)、陀螺仪角速度测量值rate(n)，采用移动平均方法对采集到的加速度计和陀螺仪测量值进行平稳去噪；

所述采样周期T根据实际测量需求确定。

所述互补滤波器时间常数τ根据传感器的频率特性决定，通常取值在0.5～5之间。

第三步：利用加速度计测量值a_x(n)和a_y(n)计算加速度计所测载体转角θ_acc(n)，利用陀螺仪测量值rate(n)计算陀螺仪所测载体转角θ_gyro(n)。具体方法为：

所述的利用加速度计测量值计算载体转角是利用重力加速度在x轴和y轴上分量的三角函数关系求得，当载体在非水平面内做旋转运动时，重力加速度在加速度计的x轴和y轴上产生分量，在不考虑其他外力情况下，利用该x轴和y轴上的加速度分量根据三角关系求得：

tanθacc(n)=ax(n)ay(n),]]>

继而得到：