一種基于重力向量的載體姿態(tài)測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于重力向量的載體姿態(tài)測量方法，具體包含如下步驟：預(yù)先將三軸MEMS加速度計安裝于載體上；通過三軸MEMS加速度計實時獲取載體三個軸方向上的向量參數(shù)；通過溫度傳感器實時采集三軸MEMS加速度計表面的溫度，根據(jù)獲取的三個軸方向上的向量參數(shù)和溫度計算出載體姿態(tài)基于重力向量的橫滾角，將計算出的基于重力向量的橫滾角通過顯示模塊實時顯示出來，同時通過數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。
【專利說明】
一種基于重力向量的載體姿態(tài)測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種載體姿態(tài)參數(shù)獲取方法，尤其涉及一種基于重力向量的載體姿態(tài) 測量方法，屬于姿態(tài)測量控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的姿態(tài)測量系統(tǒng)采用捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)（SINS)，相比平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)而言，其 具有體積相對更小，成本相對更低，易于安裝和維護(hù)并且可靠性更高的有點，因此，捷聯(lián)慣 導(dǎo)系統(tǒng)在飛行器導(dǎo)航和姿態(tài)測量中得到了廣泛的研究和應(yīng)用。
[0003] 然而，傳統(tǒng)的姿態(tài)測量系統(tǒng)包括捷聯(lián)式慣導(dǎo)普遍具有體積大，重量大，復(fù)雜程度高 等特點，使得傳統(tǒng)的姿態(tài)測量系統(tǒng)無法應(yīng)用于日常應(yīng)用。同時，傳統(tǒng)的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)一般需 要一個尋北系統(tǒng)的輔助來獲得載體的方位角，但是傳統(tǒng)的尋北系統(tǒng)多為基于陀螺的系統(tǒng)， 其體積和復(fù)雜度也是日常應(yīng)用所無法接受的?？梢姡瑢τ趯w積具有嚴(yán)格限制的嵌入式系 統(tǒng)而言，需要研制一種小型的姿態(tài)測量系統(tǒng)來滿足其姿態(tài)測量的要求。MEMS技術(shù)和MR技術(shù) 的快速發(fā)展，為研制這種低成本，小體積，高集成度的姿態(tài)測量系統(tǒng)提供了可能，從而可以 使得對體積和成本敏感的系統(tǒng)具有姿態(tài)測量的能力。
[0004] 例如申請?zhí)枮?201210557018.2"的一種姿態(tài)測量方法和姿態(tài)測量系統(tǒng)，在保證姿 態(tài)測量的穩(wěn)定性的同時減少誤差。所述方法包括:采用雙天線全球定位系統(tǒng)GPS測量筒狀部 件的第一姿態(tài)信息;采用微機電系統(tǒng)MEMS測量筒狀部件的第二姿態(tài)信息；將所述第一姿態(tài) 信息和所述第二姿態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合得到筒狀部件的全姿態(tài)信息并輸出。該發(fā)明采用雙 天線GPS與MEMS組合的方式進(jìn)行姿態(tài)測量，利用雙天線GPS的方式，啟動時間快，姿態(tài)測量的 設(shè)備成本低，誤差較小，再結(jié)合MEMS完成設(shè)備的短時間姿態(tài)保持能力，在保證測量精度的同 時提高了姿態(tài)測量設(shè)備對外界復(fù)雜電磁環(huán)境的抗干擾能力，增強了姿態(tài)測量的穩(wěn)定性。
[0005] 又如申請?zhí)枮?201310657215.6"的一種基于單軸加速度傳感器和三軸磁場傳感 器的姿態(tài)測量系統(tǒng)及其姿態(tài)測量方法，該系統(tǒng)包括:加速度傳感器、三軸磁場傳感器、GNSS 模塊和數(shù)據(jù)處理模塊;所述的加速度傳感器為與前進(jìn)軸正交布置的Z軸向單軸加速度傳感 器，用于測量重力加速度分量，得到地面載體的橫滾角和俯仰角的三角關(guān)系;所述的數(shù)據(jù)處 理模塊，用于根據(jù)位置信息查表獲取地磁場模、地磁傾角信息和地磁偏角信息，結(jié)合地面載 體的橫滾角和俯仰角的三角關(guān)系以及載體坐標(biāo)系下地磁場的三個分量陣列最終解算出航 向角、俯仰角和橫滾角。該發(fā)明的姿態(tài)測量新方法能夠在載體靜止或低速移動狀態(tài)下實現(xiàn) 載體姿態(tài)角的準(zhǔn)確解算，可以減少一個測量量，避免更多測量噪聲的引入。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對【背景技術(shù)】的不足提供了一種方便、靈活、易于 操作的基于MEMS加速度計的載體姿態(tài)橫滾角獲取方法。
[0007] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0008] -種基于重力向量的載體姿態(tài)測量方法，具體包含如下步驟：
[0009] 步驟I，預(yù)先將三軸MEMS加速度計安裝于載體上；
[0010] 步驟2，通過三軸MEMS加速度計實時獲取載體三個軸方向上的向量參數(shù)；
[0011] 步驟3，通過溫度傳感器實時采集三軸MEMS加速度計表面的溫度；
[0012] 步驟4,將步驟2獲取的三個軸方向上的向量參數(shù)和步驟3獲取的三軸MEMS加速度 計表面的溫度均上傳至數(shù)據(jù)處理中心，進(jìn)而計算出載體姿態(tài)基于重力向量的橫滾角，具體 計算如下：
[0013]
[0014] 其中，Θ為載體姿態(tài)的橫滾角，Ax為載體X軸方向的向量參數(shù)，Ay為載體y軸方向的 向量參數(shù)，Az為載體z軸方向的向量參數(shù)，T為溫度傳感器實時采集三軸MEMS加速度計表面 的溫度，To為溫度傳感器采集三軸MEMS加速度計表面的標(biāo)準(zhǔn)溫度；
[0015] 步驟5,將步驟4計算出的基于重力向量的橫滾角通過顯示模塊實時顯示出來，同 時通過存儲模塊實時存儲。
[0016] 作為本發(fā)明一種基于重力向量的載體姿態(tài)測量方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述三軸 MEMS加速度計的芯片型號為MMA7260Q。
[0017] 作為本發(fā)明一種基于重力向量的載體姿態(tài)測量方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述顯示 模塊為IXD顯示屏。
[0018] 作為本發(fā)明一種基于重力向量的載體姿態(tài)測量方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述存儲 模塊采用DDR3。
[0019] 作為本發(fā)明一種基于重力向量的載體姿態(tài)測量方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述溫度 傳感器采用芯片型號為DS1820的溫度傳感器。
[0020] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0021] 1、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、具有低成本，高精度，微型化數(shù)字顯示的特點；
[0022] 2、本發(fā)明利用三軸MEMS加速度計用來獲得載體基于重力向量的橫滾角，獲取更加 精確；
[0023] 3、本發(fā)明采用無線傳輸模塊與監(jiān)控中心進(jìn)行互動，是監(jiān)控過程更加方便。
【具體實施方式】
[0024]下面對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：
[0025]本發(fā)明設(shè)計一種基于重力向量的載體姿態(tài)測量方法，具體包含如下步驟：
[0026]步驟1，預(yù)先將三軸MEMS加速度計安裝于載體上；
[0027]步驟2，通過三軸MEMS加速度計實時獲取載體三個軸方向上的向量參數(shù)；
[0028] 步驟3，通過溫度傳感器實時采集三軸MEMS加速度計表面的溫度；
[0029] 步驟4,將步驟2獲取的三個軸方向上的向量參數(shù)和步驟3獲取的三軸MEMS加速度 計表面的溫度均上傳至數(shù)據(jù)處理中心，進(jìn)而計算出載體姿態(tài)基于重力向量的橫滾角，具體 計算如下：
[0030]
[0031] 其中，Θ為載體姿態(tài)的橫滾角，Ax為載體X軸方向的向量參數(shù)，Ay為載體y軸方向的 向量參數(shù)，Az為載體z軸方向的向量參數(shù)，T為溫度傳感器實時采集三軸MEMS加速度計表面 的溫度，To為溫度傳感器采集三軸MEMS加速度計表面的標(biāo)準(zhǔn)溫度；
[0032]步驟5,將步驟4計算出的基于重力向量的橫滾角通過顯示模塊實時顯示出來，同 時通過存儲模塊實時存儲。
[0033] 其中，所述三軸MEMS加速度計的芯片型號為MMA7260Q，所述顯示模塊為LCD顯示 屏，所述存儲模塊采用DDR3,所述溫度傳感器采用芯片型號為DS1820的溫度傳感器。
[0034] 三軸MEMS加速度計：本系統(tǒng)中的加速度計選用了Freescale的MMA7260Q單片三軸 加速度計。MMA7260Q是一個低成本的電容式微機械加速度計，其內(nèi)部具有信號調(diào)整、單極低 通濾波器、溫度補償?shù)裙δ?，其量程可以通過編程選擇1.5g/2g/4g/6g之一。
[0035]本發(fā)明采用的控制系統(tǒng):AVR單片機具有預(yù)取指令功能，即在執(zhí)行一條指令時，預(yù) 先把下一條指令取進(jìn)來，使得指令可以在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行;多累加器型，數(shù)據(jù)處理速度 快;AVR單片機具有32個通用工作寄存器，相當(dāng)于有32條立交橋，可以快速通行；中斷響應(yīng)速 度快。AVR單片機有多個固定中斷向量入口地址，可快速響應(yīng)中斷;AVR單片機耗能低。對于 典型功耗情況，WDT關(guān)閉時為IOOnA，更適用于電池供電的應(yīng)用設(shè)備;有的器件最低1.8V即可 工作。
[0036]本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、具有低成本，高精度，微型化數(shù)字顯示的特點；本發(fā)明利用三軸 MEMS加速度計用來獲得載體基于重力向量的橫滾角，獲取更加精確;通過溫度傳感器實時 檢測傳感器表面的溫度，有效的避免溫度帶來的影響。
[0037] 具體工作過程如下：
[0038]步驟1，預(yù)先將三軸MEMS加速度計安裝于載體上；
[0039]步驟2，通過三軸MEMS加速度計實時獲取載體三個軸方向上的向量參數(shù)；
[0040] 步驟3，通過溫度傳感器實時采集三軸MEMS加速度計表面的溫度；
[00411 步驟4,將步驟2獲取的三個軸方向上的向量參數(shù)和步驟3獲取的三軸MEMS加速度 計表面的溫度均上傳至數(shù)據(jù)處理中心，進(jìn)而計算出載體姿態(tài)基于重力向量的橫滾角，具體 計算如Τ- ?； 0042]
[0043]其中，Θ為載體姿態(tài)的橫滾角，Ax為載體X軸方向的向量參數(shù)，Ay為載體y軸方向的 向量參數(shù)，Az為載體z軸方向的向量參數(shù)，T為溫度傳感器實時采集三軸MEMS加速度計表面 的溫度，To為溫度傳感器采集三軸MEMS加速度計表面的標(biāo)準(zhǔn)溫度。
[0044]步驟5,將步驟4計算出的基于重力向量的橫滾角通過顯示模塊實時顯示出來，同 時通過存儲模塊實時存儲。
[0045]傳統(tǒng)的姿態(tài)測量系統(tǒng)采用捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)，相比平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)而言，其具有體 積相對更小，成本相對更低，易于安裝和維護(hù)并且可靠性更高的有點，因此，捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng) 在飛行器導(dǎo)航和姿態(tài)測量中得到了廣泛的研究和應(yīng)用。
[0046]然而，傳統(tǒng)的姿態(tài)測量系統(tǒng)包括捷聯(lián)式慣導(dǎo)普遍具有體積大，重量大，復(fù)雜程度高 等特點，使得傳統(tǒng)的姿態(tài)測量系統(tǒng)無法應(yīng)用于日常應(yīng)用。同時，傳統(tǒng)的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)一般需 要一個尋北系統(tǒng)的輔助來獲得載體的方位角，但是傳統(tǒng)的尋北系統(tǒng)多為基于陀螺的系統(tǒng)， 其體積和復(fù)雜度也是日常應(yīng)用所無法接受的。可見，對于對體積具有嚴(yán)格限制的嵌入式系 統(tǒng)而言，需要研制一種小型的姿態(tài)測量系統(tǒng)來滿足其姿態(tài)測量的要求。MEMS技術(shù)和MR技術(shù) 的快速發(fā)展，為研制這種低成本，小體積，高集成度的姿態(tài)測量系統(tǒng)提供了可能，從而可以 使得對體積和成本敏感的系統(tǒng)具有姿態(tài)測量的能力。在本系統(tǒng)中，三軸MEMS加速度計用來 獲得載體基于重力向量的俯仰角和橫滾角。
[0047]本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技 術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還 應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中 的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。 [0048]以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是 按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍 之內(nèi)。上面對本發(fā)明的實施方式作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在本領(lǐng) 域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以再不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變 化。
【主權(quán)項】
1. 一種基于重力向量的載體姿態(tài)測量方法，其特征在于:具體包含如下步驟： 步驟1，預(yù)先將Ξ軸MEMS加速度計安裝于載體上； 步驟2,通過Ξ軸MEMS加速度計實時獲取載體Ξ個軸方向上的向量參數(shù)； 步驟3，通過溫度傳感器實時采集Ξ軸MEMS加速度計表面的溫度； 步驟4,將步驟2獲取的Ξ個軸方向上的向量參數(shù)和步驟3獲取的Ξ軸MEMS加速度計表 面的溫度均上傳至數(shù)據(jù)處理中屯、，進(jìn)而計算出載體姿態(tài)基于重力向量的橫滾角，具體計算 如下：其中，Θ為載體姿態(tài)的橫滾角，Αχ為載體X軸方向的向量參數(shù)，Ay為載體y軸方向的向量 參數(shù)，Az為載體Z軸方向的向量參數(shù)，T為溫度傳感器實時采集Ξ軸MEMS加速度計表面的溫 度，To為溫度傳感器采集Ξ軸MEMS加速度計表面的標(biāo)準(zhǔn)溫度； 步驟5,將步驟4計算出的基于重力向量的橫滾角通過顯示模塊實時顯示出來，同時通 過存儲模塊實時存儲。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于重力向量的載體姿態(tài)測量方法，其特征在于:所述Ξ 軸MEMS加速度計的忍片型號為MMA7260Q。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于重力向量的載體姿態(tài)測量方法，其特征在于:所述顯 示模塊為LCD顯示屏。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于重力向量的載體姿態(tài)測量方法，其特征在于:所述存 儲模塊采用孤R3。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于重力向量的載體姿態(tài)測量方法，其特征在于:所述溫 度傳感器采用忍片型號為DS1820的溫度傳感器。
【文檔編號】G01C21/16GK105841696SQ201610172639
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月24日
【發(fā)明人】胡國良
【申請人】蘇州合欣美電子科技有限公司