一種基于ahrs的單軸旋轉(zhuǎn)角測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于航姿參考系統(tǒng)（AHR巧的單軸旋轉(zhuǎn)角測(cè)量方法，其屬于旋轉(zhuǎn) 角測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 角位移測(cè)量廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，國(guó)防軍事，航空航天等領(lǐng)域。由于在惡劣的環(huán)境 中，角位移傳感器的電氣、機(jī)械等參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，因此需要定期對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定矯正。現(xiàn)有 的單旋轉(zhuǎn)角測(cè)量方法大都依賴轉(zhuǎn)軸信息，安裝難度大且安裝復(fù)雜，因而受到很大的限制。為 此，本專利申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N更加實(shí)用的基于AHRS的單軸旋轉(zhuǎn)角測(cè)量方法，該方法對(duì)測(cè)角元 件的安裝沒(méi)有任何要求，且采樣率高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提出了一種基于AHRS的單軸旋轉(zhuǎn)角測(cè)量方法。該方法先利用MEMS角速率 巧螺測(cè)量轉(zhuǎn)軸空間指向，然后通過(guò)讀取AHRS系統(tǒng)輸出的俯仰和傾斜角度來(lái)估計(jì)旋轉(zhuǎn)角。它 解決了現(xiàn)有測(cè)角方案中，測(cè)角元件安裝復(fù)雜的問(wèn)題，且具有較高的采樣率。
[0004] 本發(fā)明所采用的設(shè)備為航姿參考系統(tǒng)（AHRS)。其中的角速率巧螺能夠測(cè)量物體旋 轉(zhuǎn)的角速率，從而給出測(cè)量轉(zhuǎn)軸的空間指向。AHRS的角速率巧螺和加速度計(jì)的組合濾波能 夠較為精確的給出自身的俯仰和滾轉(zhuǎn)角度。通過(guò)空間指向和俯仰傾斜角，我們能快速算出 旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)角。
[000引本發(fā)明基于要求：
[0006] 1、被測(cè)物體在測(cè)量過(guò)程中除了單軸轉(zhuǎn)動(dòng)之外，不會(huì)有其他自由度的運(yùn)動(dòng)。
[0007] 2、作為傳感器的AHRS系統(tǒng)的輸出的靜態(tài)精度在0. 5°W內(nèi)。
[000引 3、AHRS系統(tǒng)的加速度計(jì)和角速度巧螺正交放置且對(duì)應(yīng)軸重合或平行，且性能相 當(dāng)。
[0009] 本發(fā)明所建立的坐標(biāo)系如圖1，初始的AHRS坐標(biāo)系訊和世界坐標(biāo)系{W}間的旋 轉(zhuǎn)矩陣假設(shè)為T(mén)R"，旋轉(zhuǎn)過(guò)角度a的AHRS坐標(biāo)系{T(a)}和世界坐標(biāo)系間的旋轉(zhuǎn)矩陣為"" R".假定旋轉(zhuǎn)軸所對(duì)應(yīng)的向量為V= (a，b，c)T，其中a2+b2+c2= 1.
[0010] 本發(fā)明所提出的方法主要包含如下步驟；首先將傳感器固連在被測(cè)物體上，轉(zhuǎn)動(dòng) 旋轉(zhuǎn)部件，通過(guò)AHRS系統(tǒng)輸出的角速度獲取轉(zhuǎn)軸在零角度時(shí)AHRS系統(tǒng)坐標(biāo)系內(nèi)的方位。然 后，確定零位，即初始位置，并記錄當(dāng)前的俯仰角9。和滾轉(zhuǎn)角4。.最后，當(dāng)傳感器旋轉(zhuǎn)a 后，記錄當(dāng)前的俯仰角0。和滾轉(zhuǎn)角4。，然后估計(jì)出旋轉(zhuǎn)角度
[0011] 綜上所述，本發(fā)明一種基于AHRS的單軸旋轉(zhuǎn)角測(cè)量方法，該方法具體步驟如下：
[0012] 步驟一；將傳感器固連在被測(cè)物體上，使轉(zhuǎn)軸盡量在傳感器的俯仰和傾斜軸組成 的平面內(nèi)（目的是為了降低系統(tǒng)誤差）。AHRS系統(tǒng)上電后，在靜止?fàn)顟B(tài)測(cè)量巧螺輸出的上 電誤差，后續(xù)測(cè)量需減掉此誤差W縮小測(cè)量的角速度的誤差。
[001引步驟二：被測(cè)物體沿轉(zhuǎn)軸快速往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，W測(cè)量轉(zhuǎn)軸在AHRS系統(tǒng)坐標(biāo)系內(nèi)的方 位。實(shí)際上，AHRS系統(tǒng)測(cè)得的角速度是可W直接讀出的，假定為（w,Wyw,)T。則旋轉(zhuǎn)軸方 向?yàn)?br>[0014]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于AHRS的單軸旋轉(zhuǎn)角測(cè)量方法，其特征在于：該方法具體步驟如下： 步驟一：將傳感器固連在被測(cè)物體上，使轉(zhuǎn)軸盡量在傳感器的俯仰和傾斜軸組成的平 面內(nèi)；AHRS系統(tǒng)上電后，在靜止?fàn)顟B(tài)測(cè)量陀螺輸出的上電誤差，后續(xù)測(cè)量需減掉此誤差以 縮小測(cè)量的角速度的誤差； 步驟二：被測(cè)物體沿轉(zhuǎn)軸快速往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，以測(cè)量轉(zhuǎn)軸在AHRS系統(tǒng)坐標(biāo)系內(nèi)的方位；實(shí) 際上，AHRS系統(tǒng)測(cè)得的角速度能直接讀出，假定為（wx Wy wz)^則旋轉(zhuǎn)軸方向?yàn)?br>上式中，a、b、c表示旋轉(zhuǎn)軸的方向向量，且a2+b2+c2= 1 快速轉(zhuǎn)動(dòng)是為了減小AHRS的系統(tǒng)誤差在角速度中所占的比例，從而得到比較精確的 轉(zhuǎn)軸信息；由于角速度測(cè)量的誤差很小，因此得到的轉(zhuǎn)軸信息是十分精確的； 步驟三：當(dāng)被測(cè)物體處于零位時(shí)，記錄當(dāng)前的俯仰角Qtl和滾轉(zhuǎn)角φ μ作為初始的狀 態(tài)，之后的角度變化以此狀態(tài)為基準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換；假設(shè)，在該狀態(tài)下AHRS坐標(biāo)系與世界坐標(biāo) 系間的旋轉(zhuǎn)矩陣為tR,,,俯仰角9。和滾轉(zhuǎn)角
φ。與tR,,滿足： 步驟四：根據(jù)零位及軸轉(zhuǎn)向，獲取旋轉(zhuǎn)角度α俯仰角θ α和滾轉(zhuǎn)角φ α的關(guān)系，具體 獲取方式如下： 1)根據(jù)軸向\ = (a，b，c)T求取旋轉(zhuǎn)過(guò)角度α的AHRS坐標(biāo)系{Τ(α)}與初始位置的 MRS坐 標(biāo)系m之間的旋轉(zhuǎn)矩陣T(a)RTK對(duì)應(yīng)的四元數(shù)，如下：
且 T(c〇Rw= τ⑷RttRw，將（0. 2)，（0. 5)代入，可得
在式（1.6)中，僅旋轉(zhuǎn)角α是未知的，通過(guò)該關(guān)系式獲取α的估計(jì)值； 步驟五：采用插值法求取α，具體求解步驟如下： 1) 取 a J= -180+0.1 (i-1), i = I, 2,. . . , 3601. (0· 7) 對(duì)于每一個(gè) a i，求取 Xi, yi, Zi, i = I, 2, . . . , 3601,如下式
2) 根據(jù)當(dāng)前讀取的θ α，φα計(jì)算 xc=sin0 α，Yc=C0s Θ Jin(J)c^zc=CosQ aC0S(J)a，然后分別計(jì)算叉。，7。，2; (；在 Xi, Yi, Zi, i = 1，2, ...，3601中的插值角度和插值處的斜率；對(duì)于X。來(lái)說(shuō)，插值點(diǎn)是如下三 種情況的點(diǎn)：（i)當(dāng)（Xi-Xe) (xi+1-x。）< 〇 時(shí)
當(dāng)對(duì)于所有的i均有Xi>x。，則kx= 0.0001，a x= a i，對(duì)于滿足Xi-XH彡〇且Xi+1-Xi>〇 的i ; (iii)當(dāng)對(duì)于所有的i均有Xi< X。，則kx= 0. 0001，a x= a i，對(duì)于滿足Xi-Xp1彡〇 且xi+1-Xi< 0的i ;記X。所對(duì)應(yīng)的差值點(diǎn)的集合為= ，與其對(duì)應(yīng)的斜率集合為 Kx;同理求得y。所對(duì)應(yīng)的差值點(diǎn)的集合為Y = 與其對(duì)應(yīng)的斜率集合為Ky，z。 所對(duì)應(yīng)的差值點(diǎn)的集合為Z = j，與其對(duì)應(yīng)的斜率集合為Kz; 3) 從插值角度集合X，Y，Z中選取合適的角度估計(jì)值，通過(guò)以下優(yōu)化問(wèn)題求得的
4) 根據(jù)所求角度，加權(quán)獲取估計(jì)值，方式如下
【專利摘要】一種基于AHRS的單軸旋轉(zhuǎn)角測(cè)量方法，它有五大步驟：一、將傳感器固連在被測(cè)物體上，使轉(zhuǎn)軸盡量在傳感器的俯仰和傾斜軸組成的平面內(nèi)；AHRS系統(tǒng)上電后，在靜止?fàn)顟B(tài)測(cè)量陀螺輸出的上電誤差；二、被測(cè)物體沿轉(zhuǎn)軸快速往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，以測(cè)量轉(zhuǎn)軸在AHRS系統(tǒng)坐標(biāo)系內(nèi)的方位；三、當(dāng)被測(cè)物體處于零位時(shí)，記錄當(dāng)前的俯仰角θ0和滾轉(zhuǎn)角φ0；作為初始的狀態(tài)，之后的角度變化以此狀態(tài)為基準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換；四、根據(jù)零位及軸轉(zhuǎn)向，獲取旋轉(zhuǎn)角度α俯仰角θα和滾轉(zhuǎn)角φα的關(guān)系；五、采用插值法求取α。本發(fā)明解決了現(xiàn)有測(cè)角方案中，測(cè)角元件安裝復(fù)雜的問(wèn)題，且具有較高的采樣率。
【IPC分類】G01C21-16, G01C1-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104748719
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510118235
【發(fā)明人】張瑞峰, 劉長(zhǎng)衛(wèi), 楊崗軍, 全權(quán), 董宏信, 鄭帥勇, 湯劍, 胡樹(shù)正, 楊全法, 吳正禮, 李曉沖
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍空軍裝備研究院航空裝備研究所
【公開(kāi)日】2015年7月1日
【申請(qǐng)日】2015年3月18日