動(dòng)態(tài)水平儀及姿態(tài)角計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及慣性測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種動(dòng)態(tài)水平儀及姿態(tài)角計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水平儀作為現(xiàn)代工業(yè)不可缺少的檢測(cè)工具，在土木工程、航空航海、工業(yè)控制等領(lǐng) 域有著廣泛應(yīng)用。水平儀從過去簡(jiǎn)單的氣泡水平儀發(fā)展到了現(xiàn)在的電子水平儀，測(cè)量精度 和便捷性都有很大提高。氣泡水平儀誤差較大，對(duì)于小角度精確測(cè)量更是無能為力。電子 水平儀作為傳統(tǒng)水泡水平儀的替代品，更多的應(yīng)用在道路工程，機(jī)械測(cè)量，建筑工程，工業(yè) 平臺(tái)，石油勘測(cè)，軍工，船舶，以及其他需要重力參考系下的傾角或者水平的情況。
[0003] 目前市場(chǎng)上應(yīng)用的電子水平儀按原理區(qū)分主要有電感式和電容式等兩種。電感式 原理：當(dāng)水平儀的基座因待測(cè)工件傾斜而傾斜時(shí)，其內(nèi)部擺錘因移動(dòng)所造成感應(yīng)線圈的電 壓變化。電容式水平儀其測(cè)量原理為一圓形擺錘自由懸掛在細(xì)線上，擺錘受地心重力所影 響，且懸浮于無摩擦狀態(tài)。擺錘的兩邊均設(shè)有電極且間隙相同時(shí)電容量是相等，若水平儀受 待測(cè)工件所影響而造成兩間隙不同距離改變，從而產(chǎn)生電容不同，形成角度的差異。目前的 電子水平儀，測(cè)量精度能夠做到非常高的精度，但受工作原理限制，其普遍受到角度測(cè)量范 圍限制和測(cè)量環(huán)境限制，例如傾斜角度不超過幾度，否則測(cè)量精度相應(yīng)下降明顯，并且要求 在靜態(tài)條件下測(cè)量，若在非靜態(tài)條件下，則只能利用差分水平儀測(cè)量相對(duì)水平。在所測(cè)對(duì)象 傾斜角度較大，或者對(duì)象存在運(yùn)動(dòng)等條件下，則上述傳統(tǒng)的電子水平儀就無能為力了。
[0004] 隨著慣性技術(shù)的發(fā)展，加速度計(jì)技術(shù)及其制造工藝逐步成熟，應(yīng)用也越來越廣 泛，不僅可以應(yīng)用于傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航領(lǐng)域，也應(yīng)用于水平儀和測(cè)斜儀領(lǐng)域。相比于上面?zhèn)鹘y(tǒng) 的電子水平儀，利用加速度計(jì)在全姿態(tài)范圍內(nèi)均能夠敏感準(zhǔn)確加速度信息的特點(diǎn)，可以突 破傳統(tǒng)電子水平儀小角度測(cè)量的限制，理論上實(shí)現(xiàn)任意角度的測(cè)量。但目前實(shí)際的情況是， 加速度計(jì)應(yīng)用于電子水平儀產(chǎn)品還非常少，并且只應(yīng)用于靜態(tài)測(cè)量。其原因在于這些產(chǎn)品 中未能解決載體運(yùn)動(dòng)帶來的干擾加速度影響，從而未能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)水平儀功能。
[0005] 以車載高精度雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用為例，雷達(dá)天線安裝在具有天向旋轉(zhuǎn)軸的基座上，雷 達(dá)在工作時(shí)基座繞天向軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)，由于載車所處位置不水平及基座安裝誤差等因素影 響，旋轉(zhuǎn)軸并不能嚴(yán)格指天，旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)面存在一定傾斜角，且定義在旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)面上的俯仰和 滾動(dòng)兩個(gè)水平角度會(huì)周期性變化，利用水平儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于水平跟隨基座一起旋轉(zhuǎn)，水 平儀將敏感到向心加速度，該加速度影響水平姿態(tài)的測(cè)量，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)的電子水平儀無 法測(cè)量這些動(dòng)態(tài)角度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為鑒于上述問題，提出了本發(fā)明以便提供一種克服上述問題或者至少部分地解決 上述問題的一種動(dòng)態(tài)水平儀、以及一種姿態(tài)角計(jì)算方法。
[0007] 依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種動(dòng)態(tài)水平儀，所述動(dòng)態(tài)水平儀包括：兩個(gè)加速 度計(jì)和陀螺儀，所述兩個(gè)加速度計(jì)的敏感軸相互正交、且均處于與待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)平行的平面上， 所述陀螺儀的敏感軸設(shè)于與待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)垂直的方向；
[0008] 所述兩個(gè)加速度計(jì)，分別用于檢測(cè)待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)在該加速度計(jì)的敏感軸上的加速度；
[0009] 所述陀螺儀，用于檢測(cè)待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)沿所述待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的角速度。
[0010] 其中，所述動(dòng)態(tài)水平儀還包括：信息處理電路，所述兩個(gè)加速度計(jì)及陀螺儀均與 所述信息處理電路相連；
[0011] 所述信息處理電路，用于根據(jù)所述兩個(gè)加速度計(jì)所檢測(cè)的加速度及陀螺儀所檢測(cè) 的角速度計(jì)算所述待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)的水平姿態(tài)角。
[0012] 其中，所述動(dòng)態(tài)水平儀還包括：基板，所述兩個(gè)加速度計(jì)、陀螺儀和信息處理電路 均設(shè)于所述基板的上表面。
[0013] 依據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種基于所述的動(dòng)態(tài)水平儀的姿態(tài)角計(jì)算方 法，所述方法包括：
[0014] 獲取由動(dòng)態(tài)水平儀中的兩個(gè)加速度計(jì)所檢測(cè)的加速度，并獲取由所述動(dòng)態(tài)水平儀 中的陀螺儀所檢測(cè)的角速度，所述動(dòng)態(tài)水平儀安裝于待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)上、且與所述待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)的旋 轉(zhuǎn)軸呈預(yù)設(shè)距離處；
[0015] 根據(jù)所述兩個(gè)加速度計(jì)所檢測(cè)的加速度及陀螺儀所檢測(cè)的角速度計(jì)算所述待測(cè) 轉(zhuǎn)臺(tái)的水平姿態(tài)角。
[0016] 其中，所述根據(jù)所述兩個(gè)加速度計(jì)所檢測(cè)的加速度及陀螺儀所檢測(cè)的角速度計(jì)算 所述待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)的水平姿態(tài)角，進(jìn)一步包括：
[0017] 根據(jù)所述陀螺儀所檢測(cè)的角速度積分確定所述動(dòng)態(tài)水平儀所處的第一位置，并確 定與所述第一位置沿所述旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱的第二位置；
[0018] 獲取在第一位置由所述兩個(gè)加速度計(jì)所檢測(cè)到的第一加速度，并獲取在第二位置 由所述兩個(gè)加速度計(jì)所檢測(cè)到的第二加速度；
[0019] 根據(jù)所述第一加速度和第二加速度計(jì)算所述待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)當(dāng)前的水平姿態(tài)角。
[0020] 其中，第一位置為所述動(dòng)態(tài)水平儀沿所述旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的角度。
[0021] 其中，根據(jù)所述陀螺儀所檢測(cè)的角速度通過下式確定所述動(dòng)態(tài)水平儀沿所述旋轉(zhuǎn) 軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的角度，
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種動(dòng)態(tài)水平儀，其特征在于，所述動(dòng)態(tài)水平儀包括：兩個(gè)加速度計(jì)和巧螺儀，所述 兩個(gè)加速度計(jì)的敏感軸相互正交、且均處于與待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)平行的平面上，所述巧螺儀的敏感 軸設(shè)于與待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)垂直的方向； 所述兩個(gè)加速度計(jì)，分別用于檢測(cè)待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)在該加速度計(jì)的敏感軸上的加速度； 所述巧螺儀，用于檢測(cè)待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)沿所述待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的角速度。
2. 如權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)水平儀，其特征在于，所述動(dòng)態(tài)水平儀還包括；信息處理電 路，所述兩個(gè)加速度計(jì)及巧螺儀均與所述信息處理電路相連； 所述信息處理電路，用于根據(jù)所述兩個(gè)加速度計(jì)所檢測(cè)的加速度及巧螺儀所檢測(cè)的角 速度計(jì)算所述待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)的水平姿態(tài)角。
3. 如權(quán)利要求2所述的動(dòng)態(tài)水平儀，其特征在于，所述動(dòng)態(tài)水平儀還包括；基板，所述 兩個(gè)加速度計(jì)、巧螺儀和信息處理電路均設(shè)于所述基板的上表面。
4. 一種基于權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述的動(dòng)態(tài)水平儀的姿態(tài)角計(jì)算方法，其特征在 于，所述方法包括： 獲取由動(dòng)態(tài)水平儀中的兩個(gè)加速度計(jì)所檢測(cè)的加速度，并獲取由所述動(dòng)態(tài)水平儀中的 巧螺儀所檢測(cè)的角速度，所述動(dòng)態(tài)水平儀安裝于待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)上、且與所述待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸 呈預(yù)設(shè)距離處； 根據(jù)所述兩個(gè)加速度計(jì)所檢測(cè)的加速度及巧螺儀所檢測(cè)的角速度計(jì)算所述待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái) 的水平姿態(tài)角。
5. 如權(quán)利要求4所述的姿態(tài)角計(jì)算方法，其特征在于，所述根據(jù)所述兩個(gè)加速度計(jì)所 檢測(cè)的加速度及巧螺儀所檢測(cè)的角速度計(jì)算所述待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)的水平姿態(tài)角，進(jìn)一步包括： 根據(jù)所述巧螺儀所檢測(cè)的角速度積分確定所述動(dòng)態(tài)水平儀當(dāng)前所處的第一位置，并確 定與所述第一位置沿所述旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱的第二位置； 獲取在第一位置由所述兩個(gè)加速度計(jì)所檢測(cè)到的第一加速度，并獲取在第二位置由所 述兩個(gè)加速度計(jì)所檢測(cè)到的第二加速度； 根據(jù)所述第一加速度和第二加速度計(jì)算所述待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)當(dāng)前的水平姿態(tài)角。
6. 如權(quán)利要求5所述的姿態(tài)角計(jì)算方法，其特征在于，第一位置為所述動(dòng)態(tài)水平儀沿 所述旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的角度。
7. 如權(quán)利要求6所述的姿態(tài)角計(jì)算方法，其特征在于，根據(jù)所述巧螺儀所檢測(cè)的角速 度通過下式確定所述動(dòng)態(tài)水平儀沿所述旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的角度，
其中，a為所述動(dòng)態(tài)水平儀沿所述旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的角度，為所述巧螺儀所檢測(cè)的 角速度，t為所述動(dòng)態(tài)水平儀沿所述旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的時(shí)間。
8. 如權(quán)利要求7所述的姿態(tài)角計(jì)算方法，其特征在于，根據(jù)所述第一加速度和第二加 速度通過下式計(jì)算所述待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)的水平姿態(tài)角，
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種動(dòng)態(tài)水平儀及姿態(tài)角計(jì)算方法，涉及慣性測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明采用兩個(gè)加速度計(jì)和一個(gè)陀螺儀作為動(dòng)態(tài)水平儀的測(cè)量元件，其中兩個(gè)加速度計(jì)的敏感軸相互正交、且均處于與待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)平行的平面上，分別檢測(cè)待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)平面兩個(gè)正交方向的加速度信息；所述陀螺儀的敏感軸設(shè)于與待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)垂直的方向，檢測(cè)待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)沿旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的角速度，這種測(cè)量元件的數(shù)量選擇和安裝布局方式最大限度的減少了測(cè)量元件的使用量，滿足了動(dòng)態(tài)水平儀的使用環(huán)境要求。
【IPC分類】G01C19-02
【公開號(hào)】CN104792323
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510152743
【發(fā)明人】周章華
【申請(qǐng)人】北京愛科迪通信技術(shù)股份有限公司
【公開日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年4月1日