專利名稱：一種智能傾斜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種智能傾斜儀，尤其涉及一種做橫滾、俯仰、航向測量及自動調(diào)平的高動態(tài)數(shù)字化智能傾斜儀。
背景技術(shù)：
數(shù)字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；陀螺儀僅用來測量角速率，僅適合于高動態(tài)角度測量，且由于時漂等因素導致其測量精度較差；它們分別獨立的。通常下，數(shù)字化傾斜儀僅能夠測量橫滾、俯仰的準靜態(tài)角度，對于較高動態(tài)的測量時，其往往受到動態(tài)加速度的干擾，測量精度很差。因此，現(xiàn)有的數(shù)字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。·[0004]對于現(xiàn)有基于重力加速度原理的傾斜儀已經(jīng)滿足不了實際測量的要求，單個陀螺儀或傾斜儀已滿足不了準靜態(tài)和高動態(tài)角度姿態(tài)測量要求，以往的方法分別選擇傾斜儀、陀螺儀，而且并不能將其各自的優(yōu)勢集中體現(xiàn)出來。將陀螺儀與傾斜儀創(chuàng)新地結(jié)合在一起，減少使用者的負擔，在有些應用場所，如汽車、船舶等運動中的高精度姿態(tài)測量領(lǐng)域具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢和應用價值。

實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種智能傾斜儀，可提供橫滾、俯仰、航向動態(tài)和靜態(tài)姿態(tài)角度，利用陀螺儀動態(tài)優(yōu)勢彌補傾斜儀的動態(tài)不足，利用傾斜儀的準靜態(tài)優(yōu)勢彌補陀螺儀的靜態(tài)不足和時漂問題。為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用如下技術(shù)方案一種智能傾斜儀，所述傾斜儀包括傾角傳感器，用以提供高分辨率的傾斜角度；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(jīng)過濾波的模擬信號進行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，在處理器內(nèi)做數(shù)字信號濾波，真實地反映出傾角輸出信息，并對數(shù)字處理后的信號進行角度轉(zhuǎn)換；數(shù)顯分度轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)作測試，計算出合適的線性標定系數(shù)；所述處理器進一步利用數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺計算出的線性標定系數(shù)對測量的角度數(shù)據(jù)作線性補償；陀螺儀單元，與所述處理器連接，提供測量體橫滾、俯仰、航向的角速率；電源系統(tǒng)，與所述傾角傳感器、濾波單元、處理器、數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺、陀螺儀單元連接，用以提供電源。作為本實用新型的一種優(yōu)選方案，所述濾波單元為硬件濾波單元，用以對傾角傳感器輸出的模擬信號帶寬內(nèi)濾波。作為本實用新型的一種優(yōu)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(yōu)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(yōu)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接口中的一個或多個。作為本實用新型的一種優(yōu)選方案，所述處理器為內(nèi)置24bit模數(shù)轉(zhuǎn)化單元AD的MCU。作為本實用新型的一種優(yōu)選方案，所述陀螺儀為內(nèi)置陀螺模塊，通過數(shù)字SPI接口 MCU連接。作為本實用新型的一種優(yōu)選方案，所述陀螺儀單元與所述處理器連接，用以提供橫滾、俯仰、航向角速率信息，并將橫滾、俯仰、航向角速率信息發(fā)送至處理器，由處理器對角速率積分運算出橫滾、俯仰、航向的動態(tài)姿態(tài)角度。本實用新型的有益效果在于本實用新型提出的智能傾斜儀，能夠提供航向、橫滾、俯仰的準靜態(tài)、高動態(tài)的高精度角度測量，能夠滿足工業(yè)應用、研究所及軍工單位的測量應用需求。同時，本實用新型將陀螺儀與傾角傳感器完美結(jié)合在一起，提供測量體橫滾、俯仰、航向的角速率，實現(xiàn)強大的測量功能，相對現(xiàn)有數(shù)字傾斜儀有明顯優(yōu)勢。本數(shù)字傾斜儀能夠提供豐富的接口，如數(shù)字量RS232、RS485、RS422、CAN, LCD顯示，數(shù)字接口軟件協(xié)議可選，如Modbus，CAN2. Oa或Can2. Ob等，模擬量電壓和電流，模擬量輸出范圍可設(shè)置。此外，本實用新型數(shù)字傾斜儀內(nèi)部軟件集成了自標定算法，能夠在外部簡單的操作實現(xiàn)數(shù)字傾斜儀本身數(shù)字自動標定。

圖I為本實用新型數(shù)字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(jié)合附圖詳細說明本實用新型的優(yōu)選實施例。實施例一本實用新型揭示了一種智能傾斜儀，包括傾角傳感器、濾波單元、處理器、數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺、電源系統(tǒng)、陀螺儀單元。傾角傳感器用以提供高分辨率的傾斜角度；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(jīng)過濾波的模擬信號進行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，在處理器內(nèi)作數(shù)字信號濾波，達到真實地反映出傾角輸出信息，并對數(shù)字處理后的信號進行角度轉(zhuǎn)換；數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺與所述處理器連接，用以對傳傾角感器作線性補償所需的數(shù)據(jù)作測試，計算出合適的線性標定系數(shù)；所述處理器進一步利用數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺計算出的線性標定系數(shù)對測量的角度數(shù)據(jù)作線性補償；陀螺儀單元與所述處理器連接，提供測量體橫滾、俯仰、航向的角速率；電源系統(tǒng)與所述傾角傳感器、濾波單元、處理器、數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺、陀螺儀單元連接，用以提供電源。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、硬件濾波單元2、電源系統(tǒng)3、內(nèi)置24Bit模數(shù)轉(zhuǎn)化單元AD的MCU 4、數(shù)顯分度轉(zhuǎn)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連接硬件濾波單元2、電源系統(tǒng)3、數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺、各輸出接口，所述電源系統(tǒng)3連接傾角傳感器I、硬件濾波單元2、數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺、各輸出接口。所述陀螺儀單元11連接MCU4。核心高精度MEMS傾角傳感器I可以提供很高的角度分辨率，通過硬件濾波2對高精度MEMS傾角傳感器I輸出模擬信號帶寬內(nèi)濾波，內(nèi)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(shù)轉(zhuǎn)換，在MCU內(nèi)部軟件內(nèi)作數(shù)字信號濾波，達到真實地反映出傾角輸出信息。內(nèi)置24bit AD的MCU 4對陀螺儀單元11獲取測量體橫滾、俯仰、航向的角速率，高動態(tài)時MCU 4積分運算出高動態(tài)角度，并以準靜態(tài)的角度為初始化狀態(tài)。內(nèi)置24bit AD的MCU 4會對數(shù)字處理后信號進行角度轉(zhuǎn)換，然后會利用外部高精度的數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺對傾角傳感器作線性補償所需的數(shù)據(jù)作測試。內(nèi)置24bit AD的MCU 4利用內(nèi)部最小二乘法算法對在線測試數(shù)據(jù)運算，計算出合適的線性標定系數(shù)，并存儲于MCU內(nèi)部開辟的Flash Data存儲空間。每一次測量后，內(nèi)置24bit AD的MCU 4利用事先計算出的線性標定系數(shù)對測量的角度數(shù)據(jù)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(jù)兩組值擬合出一個多項式ai = F(bi)，i=I. . . k,即 f = ko+kiC+^^+kgC3+. . . +kmCm, k0, k” k2, k3,. . .，km 為多項式系數(shù)，C =a1； a2, a3, . . . , ak利用最小二乘法算法,求解多項式擬合的系數(shù)kQ, k1； k2, k3, . . .，km,處理器的MCU程序?qū)⒃摱囗検焦袒渲?，并利用該多項式對采集的?shù)據(jù)進行多項式計算，即數(shù)據(jù)補償。如圖I所示，電路內(nèi)部設(shè)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(nèi)部構(gòu)造232輸出接口 5、485輸出接口 6、422輸出接口 7可根據(jù)用戶需要定制通信協(xié)議或按照標準協(xié)議提供輸出，如ModBus等；CAN接口 10可實現(xiàn)Can2. Oa/b或Can Open協(xié)議輸出。V/I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，輸出電壓范圍達-10VDC +10VDC，可通過軟件內(nèi)部調(diào)整電壓輸出范圍。電流輸出可達O 24mA范圍，電流輸出范圍可通過軟件內(nèi)部調(diào)整。此外，所述數(shù)字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(shè)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(nèi)置24bitMCU 4利用內(nèi)部最小二乘法算法對在線對測試數(shù)據(jù)處理、運算，計算出溫度補償系數(shù)，并存儲于內(nèi)部開辟的存儲空間內(nèi)，以后每-次測量數(shù)據(jù)輸出都會被溫度補償系數(shù)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(guān)系式，Z = Z(T)，即 Z(T) = k0+k1T+k2T2+k3T3+. · · +kmTm，其中，kQ，k1； k2, k3,. . . , km 為多項式系數(shù)；利用最小二乘法算法，求解多項式擬合的系數(shù)Iv k1； k2, k3，. . .，kn，處理器的MCU程序?qū)⒃摱囗検焦袒渲?，并利用該關(guān)系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(guān)系式，S=S(T)，即 S(T) = k0+k1T+k2T2+k3T3+. · · +kmTm，其中，k0, k” k2, k3，· · ·，km 為多項式系數(shù)；利用最小二乘法算法,求解多項式擬合的系數(shù)1 , k1； k2, k3，...，km,處理器的MCU程序?qū)⒃摱囗検焦袒渲?，并利用該關(guān)系式對靈敏度做補償。上述三個補償步驟使用了最小二乘法；三個補償步驟中，多項式的系數(shù)k0, k1； k2, k3,. . . km根據(jù)實際情況計算,在三個補償步驟中多項式的系數(shù)1 , k1； k2, k3,. . .，km并不要求相等。以上介紹了本實用新型數(shù)字化智能傾斜儀的組成，本實用新型在揭示上述數(shù)字化智能傾斜儀的同時，還揭示一種上述數(shù)字化智能傾斜儀的與陀螺儀結(jié)合的測量方法；請參閱圖2，所述測量方法包括如下步驟·步驟SI傾角傳感器提供高分辨率的傾斜角度，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(jīng)過濾波的模擬信號進行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，在處理器內(nèi)作數(shù)字信號濾波，達到真實地反映出傾角輸出信息；步驟S3處理器對數(shù)字處理后的信號進行角度轉(zhuǎn)換，利用外部高精度的數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺對傾角傳感器作線性補償所需的數(shù)據(jù)作測試，所述處理器利用最小二乘法算法對在線測試數(shù)據(jù)運算，計算出合適的線性標定系數(shù)，并存儲于處理器內(nèi)的存儲空間；步驟S4每一次測量后，處理器利用事先計算出的線性標定系數(shù)對測量的角度數(shù)據(jù)作線性補償，達到提高傾角測量的線性度的目的。步驟S5每一次測量后，處理器根據(jù)陀螺儀的角速率判斷動態(tài)和靜態(tài)切換達到提供傾斜儀動態(tài)、靜態(tài)測量性能的目的。步驟S6根據(jù)動態(tài)和靜態(tài)的判斷結(jié)果，選擇對應的角度解算方式，達到提供傾斜儀的航向角度測量、及提高動態(tài)和靜態(tài)測量精度的目的。綜上所述，本實用新型提出的智能傾斜儀，能夠提供航向、橫滾、俯仰的準靜態(tài)、高動態(tài)的高精度角度測量，能夠滿足工業(yè)應用、研究所及軍工單位的測量應用需求。同時，本實用新型將陀螺儀與傾角傳感器完美結(jié)合在一起，提供測量體橫滾、俯仰、航向的角速率，實現(xiàn)強大的測量功能，相對現(xiàn)有數(shù)字傾斜儀有明顯優(yōu)勢。本實用新型數(shù)字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(shù)字量RS232、RS485、RS422、CAN, IXD顯示，數(shù)字接口軟件協(xié)議可選，如Modbus, CAN2. Oa或Can2. Ob等，模擬量電壓和電流，模擬量輸出范圍可設(shè)置。此外，本實用新型數(shù)字傾斜儀內(nèi)部軟件集成了自標定算法，能夠在外部簡單的操作實現(xiàn)數(shù)字傾斜儀本身數(shù)字自動標定。這里本實用新型的描述和應用是說明性的，并非想將本實用新型的范圍限制在上述實施例中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應該清楚的是，在不脫離本實用新型的精神或本質(zhì)特征的情況下，本實用新型可以以其它形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例，以及用其它組件、材料和部件來實現(xiàn)。在不脫離本實用新型范圍和精神的情況下，可以對這里所披露的實施例進行 其它變形和改變。
權(quán)利要求1.一種智能傾斜儀，其特征在于，所述傾斜儀包括 傾角傳感器，用以提供高分辨率的傾斜角度； 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(jīng)過濾波的模擬信號進行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，在處理器內(nèi)做數(shù)字信號濾波，真實地反映出傾角輸出信息，并對數(shù)字處理后的信號進行角度轉(zhuǎn)換； 數(shù)顯分度轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)作測試， 計算出合適的線性標定系數(shù)；所述處理器進一步利用數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺計算出的線性標定系數(shù)對測量的角度數(shù)據(jù)作線性補償； 陀螺儀單元，與所述處理器連接，提供測量體橫滾、俯仰、航向的角速率； 電源系統(tǒng)，與所述傾角傳感器、濾波單元、處理器、數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺、陀螺儀單元連接，用以提供電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能傾斜儀，其特征在于 所述濾波單元為硬件濾波單元，用以對傾角傳感器輸出的模擬信號帶寬內(nèi)濾波。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能傾斜儀，其特征在于 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。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能傾斜儀，其特征在于 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。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能傾斜儀，其特征在于 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接口中的一個或多個。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能傾斜儀，其特征在于 所述處理器為內(nèi)置24bit模數(shù)轉(zhuǎn)化單元AD的MCU。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能傾斜儀，其特征在于 所述陀螺儀為內(nèi)置陀螺模塊，通過數(shù)字SPI接口 MCU連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的智能傾斜儀，其特征在于 所述陀螺儀單元與所述處理器連接，用以提供橫滾、俯仰、航向角速率信息，并將橫滾、俯仰、航向角速率信息發(fā)送至處理器，由處理器對角速率積分運算出橫滾、俯仰、航向的動態(tài)姿態(tài)角度。
專利摘要本實用新型揭示了一種智能傾斜儀，包括傾角傳感器、濾波單元、處理器、數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺、電源系統(tǒng)、陀螺儀單元。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(jīng)過濾波的模擬信號進行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，在處理器內(nèi)作數(shù)字信號濾波，真實地反映出傾角輸出信息，并對數(shù)字處理后的信號進行角度轉(zhuǎn)換；數(shù)顯分度轉(zhuǎn)臺與所述處理器連接，用以對傳傾角感器作線性補償所需的數(shù)據(jù)作測試，計算出合適的線性標定系數(shù)；陀螺儀單元與所述處理器連接，提供測量體橫滾、俯仰、航向的角速率。本實用新型能夠提供航向、橫滾、俯仰的準靜態(tài)、高動態(tài)的高精度角度測量，能夠滿足工業(yè)應用、研究所及軍工單位的測量應用需求。
文檔編號G01C25/00GK202648654SQ20122029308
公開日2013年1月2日 申請日期2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月20日
發(fā)明者張峰 申請人:上海輝格科技發(fā)展有限公司