動態(tài)水平儀及姿態(tài)角計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及慣性測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種動態(tài)水平儀及姿態(tài)角計算方法。
【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。水平儀從過去簡單的氣泡水平儀發(fā)展到了現(xiàn)在的電子水平儀，測量精度 和便捷性都有很大提高。氣泡水平儀誤差較大，對于小角度精確測量更是無能為力。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，機械測量，建筑工程，工業(yè) 平臺，石油勘測，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工件傾斜而傾斜時，其內(nèi)部擺錘因移動所造成感應(yīng)線圈的電 壓變化。電容式水平儀其測量原理為一圓形擺錘自由懸掛在細線上，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電容量是相等，若水平儀受 待測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，其普遍受到角度測量范 圍限制和測量環(huán)境限制，例如傾斜角度不超過幾度，否則測量精度相應(yīng)下降明顯，并且要求 在靜態(tài)條件下測量，若在非靜態(tài)條件下，則只能利用差分水平儀測量相對水平。在所測對象 傾斜角度較大，或者對象存在運動等條件下，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，可以突 破傳統(tǒng)電子水平儀小角度測量的限制，理論上實現(xiàn)任意角度的測量。但目前實際的情況是， 加速度計應(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)測量。其原因在于這些產(chǎn)品 中未能解決載體運動帶來的干擾加速度影響，從而未能實現(xiàn)動態(tài)水平儀功能。
[0005] 以車載高精度雷達系統(tǒng)應(yīng)用為例，雷達天線安裝在具有天向旋轉(zhuǎn)軸的基座上，雷 達在工作時基座繞天向軸連續(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 滾動兩個水平角度會周期性變化，利用水平儀進行測量時，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)的測量，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)的電子水平儀無 法測量這些動態(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 上述問題的一種動態(tài)水平儀、以及一種姿態(tài)角計算方法。
[0007] 依據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種動態(tài)水平儀，所述動態(tài)水平儀包括：兩個加速 度計和陀螺儀，所述兩個加速度計的敏感軸相互正交、且均處于與待測轉(zhuǎn)臺平行的平面上， 所述陀螺儀的敏感軸設(shè)于與待測轉(zhuǎn)臺垂直的方向；
[0008] 所述兩個加速度計，分別用于檢測待測轉(zhuǎn)臺在該加速度計的敏感軸上的加速度；
[0009] 所述陀螺儀，用于檢測待測轉(zhuǎn)臺沿所述待測轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)軸進行旋轉(zhuǎn)的角速度。
[0010] 其中，所述動態(tài)水平儀還包括：信息處理電路，所述兩個加速度計及陀螺儀均與 所述信息處理電路相連；
[0011] 所述信息處理電路，用于根據(jù)所述兩個加速度計所檢測的加速度及陀螺儀所檢測 的角速度計算所述待測轉(zhuǎn)臺的水平姿態(tài)角。
[0012] 其中，所述動態(tài)水平儀還包括：基板，所述兩個加速度計、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)明的另一個方面，提供了一種基于所述的動態(tài)水平儀的姿態(tài)角計算方 法，所述方法包括：
[0014] 獲取由動態(tài)水平儀中的兩個加速度計所檢測的加速度，并獲取由所述動態(tài)水平儀 中的陀螺儀所檢測的角速度，所述動態(tài)水平儀安裝于待測轉(zhuǎn)臺上、且與所述待測轉(zhuǎn)臺的旋 轉(zhuǎn)軸呈預(yù)設(shè)距離處；
[0015] 根據(jù)所述兩個加速度計所檢測的加速度及陀螺儀所檢測的角速度計算所述待測 轉(zhuǎn)臺的水平姿態(tài)角。
[0016] 其中，所述根據(jù)所述兩個加速度計所檢測的加速度及陀螺儀所檢測的角速度計算 所述待測轉(zhuǎn)臺的水平姿態(tài)角，進一步包括：
[0017] 根據(jù)所述陀螺儀所檢測的角速度積分確定所述動態(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)軸對稱的第二位置；
[0018] 獲取在第一位置由所述兩個加速度計所檢測到的第一加速度，并獲取在第二位置 由所述兩個加速度計所檢測到的第二加速度；
[0019] 根據(jù)所述第一加速度和第二加速度計算所述待測轉(zhuǎn)臺當(dāng)前的水平姿態(tài)角。
[0020] 其中，第一位置為所述動態(tài)水平儀沿所述旋轉(zhuǎn)軸進行旋轉(zhuǎn)的角度。
[0021] 其中，根據(jù)所述陀螺儀所檢測的角速度通過下式確定所述動態(tài)水平儀沿所述旋轉(zhuǎn) 軸進行旋轉(zhuǎn)的角度，
【主權(quán)項】
1. 一種動態(tài)水平儀，其特征在于，所述動態(tài)水平儀包括：兩個加速度計和巧螺儀，所述 兩個加速度計的敏感軸相互正交、且均處于與待測轉(zhuǎn)臺平行的平面上，所述巧螺儀的敏感 軸設(shè)于與待測轉(zhuǎn)臺垂直的方向； 所述兩個加速度計，分別用于檢測待測轉(zhuǎn)臺在該加速度計的敏感軸上的加速度； 所述巧螺儀，用于檢測待測轉(zhuǎn)臺沿所述待測轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)軸進行旋轉(zhuǎn)的角速度。
2. 如權(quán)利要求1所述的動態(tài)水平儀，其特征在于，所述動態(tài)水平儀還包括；信息處理電 路，所述兩個加速度計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)所述兩個加速度計所檢測的加速度及巧螺儀所檢測的角 速度計算所述待測轉(zhuǎn)臺的水平姿態(tài)角。
3. 如權(quán)利要求2所述的動態(tài)水平儀，其特征在于，所述動態(tài)水平儀還包括；基板，所述 兩個加速度計、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中任一項所述的動態(tài)水平儀的姿態(tài)角計算方法，其特征在 于，所述方法包括： 獲取由動態(tài)水平儀中的兩個加速度計所檢測的加速度，并獲取由所述動態(tài)水平儀中的 巧螺儀所檢測的角速度，所述動態(tài)水平儀安裝于待測轉(zhuǎn)臺上、且與所述待測轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)軸 呈預(yù)設(shè)距離處； 根據(jù)所述兩個加速度計所檢測的加速度及巧螺儀所檢測的角速度計算所述待測轉(zhuǎn)臺 的水平姿態(tài)角。
5. 如權(quán)利要求4所述的姿態(tài)角計算方法，其特征在于，所述根據(jù)所述兩個加速度計所 檢測的加速度及巧螺儀所檢測的角速度計算所述待測轉(zhuǎn)臺的水平姿態(tài)角，進一步包括： 根據(jù)所述巧螺儀所檢測的角速度積分確定所述動態(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)軸對稱的第二位置； 獲取在第一位置由所述兩個加速度計所檢測到的第一加速度，并獲取在第二位置由所 述兩個加速度計所檢測到的第二加速度； 根據(jù)所述第一加速度和第二加速度計算所述待測轉(zhuǎn)臺當(dāng)前的水平姿態(tài)角。
6. 如權(quán)利要求5所述的姿態(tài)角計算方法，其特征在于，第一位置為所述動態(tài)水平儀沿 所述旋轉(zhuǎn)軸進行旋轉(zhuǎn)的角度。
7. 如權(quán)利要求6所述的姿態(tài)角計算方法，其特征在于，根據(jù)所述巧螺儀所檢測的角速 度通過下式確定所述動態(tài)水平儀沿所述旋轉(zhuǎn)軸進行旋轉(zhuǎn)的角度，
其中，a為所述動態(tài)水平儀沿所述旋轉(zhuǎn)軸進行旋轉(zhuǎn)的角度，為所述巧螺儀所檢測的 角速度，t為所述動態(tài)水平儀沿所述旋轉(zhuǎn)軸進行旋轉(zhuǎn)的時間。
8. 如權(quán)利要求7所述的姿態(tài)角計算方法，其特征在于，根據(jù)所述第一加速度和第二加 速度通過下式計算所述待測轉(zhuǎn)臺的水平姿態(tài)角，
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種動態(tài)水平儀及姿態(tài)角計算方法，涉及慣性測量技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明采用兩個加速度計和一個陀螺儀作為動態(tài)水平儀的測量元件，其中兩個加速度計的敏感軸相互正交、且均處于與待測轉(zhuǎn)臺平行的平面上，分別檢測待測轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)平面兩個正交方向的加速度信息；所述陀螺儀的敏感軸設(shè)于與待測轉(zhuǎn)臺垂直的方向，檢測待測轉(zhuǎn)臺沿旋轉(zhuǎn)軸進行旋轉(zhuǎn)的角速度，這種測量元件的數(shù)量選擇和安裝布局方式最大限度的減少了測量元件的使用量，滿足了動態(tài)水平儀的使用環(huán)境要求。
【IPC分類】G01C19-02
【公開號】CN104792323
【申請?zhí)枴緾N201510152743
【發(fā)明人】周章華
【申請人】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
【申請日】2015年4月1日