[發(fā)明專利]具備高精度、溫度補償?shù)膬A角傳感器及其動態(tài)補償方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210111898.0
• 申請日: 2012-04-17
• 公開（公告）號: CN102620719A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發(fā)明（設計）人: 王景偉;高小鵬
• 申請（專利權）人: 西安精準測控有限責任公司
• 主分類號: G01C9/00
• 分類號: G01C9/00;G01C19/00
• 代理公司: 西安新思維專利商標事務所有限公司 61114
• 代理人: 李罡

1.一種具備高精度、溫度補償?shù)膬A角傳感器，特征在于：包括電源管理模塊（1）、感應模塊（2）、信號調理模塊（3）、A/D轉換模塊（4）、數(shù)字處理和控制模塊（5）、溫度測量模塊（6）、輸出接口模塊（7），感應模塊（2）包括雙軸加速度傳感器（13）、雙軸角速率傳感器（14），電源管理模塊（1）分別與感應模塊（2）、信號調理模塊（3）、A/D轉換模塊（4）、數(shù)字處理和控制模塊（5）、溫度測量模塊（6）、輸出接口模塊（7）連接，感應模塊（2）的加速度傳感器、雙軸角速率傳感器（14）分別經(jīng)信號調理模塊（3）、A/D轉換模塊（4）輸出到數(shù)字處理和控制模塊（5），數(shù)字處理和控制模塊（5）通過輸出接口模塊（7）輸出。

2.根據(jù)權利要求1所述的具備高精度、溫度補償?shù)膬A角傳感器，特征在于：所述的電源管理模塊（1）包括電源保護及EMC處理單元（8）、DC-DC降壓轉換單元（9）、LDO穩(wěn)壓及濾波單元（10）、線性穩(wěn)壓模塊單元（11）、高精度基準5V電壓源單元（12），電源保護及EMC處理單元（8）一路依次連接DC-DC降壓轉換單元（9）、LDO穩(wěn)壓及濾波單元（10），另一路依次連接線性穩(wěn)壓模塊單元（11）、高精度基準5V電壓源單元（12）。

3.根據(jù)權利要求1或2所述的具備高精度、溫度補償?shù)膬A角傳感器，特征在于：所述的信號調理模塊（3）包括4個通道的信號調理及低通濾波電路（15）。

4.根據(jù)權利要求3所述的具備高精度、溫度補償?shù)膬A角傳感器，特征在于：所述的數(shù)字處理和控制模塊（5）包括參數(shù)保存單元（16）、數(shù)字信號處理器單元（17），參數(shù)保存單元（16）與數(shù)字信號處理器單元（17）連接。

5.根據(jù)權利要求4所述的具備高精度、溫度補償?shù)膬A角傳感器，特征在于：所述的溫度測量模塊（6）采用溫度傳感器。

6.根據(jù)權利要求5所述的具備高精度、溫度補償?shù)膬A角傳感器，特征在于：所述的輸出接口模塊（7）包括數(shù)字輸出單元（18）、模擬輸出單元（19），數(shù)字輸出單元（18）、模擬輸出單元（19）分別與輸出保護電路（20）連接。

7.根據(jù)權利要求6所述的具備高精度、溫度補償?shù)膬A角傳感器，特征在于：所述的感應模塊（2）的兩個加速度傳感器的測量軸敏感方向相互垂直，同時兩個角速率傳感器的測量軸向分別與兩個加速度傳感器的測量軸向平行。

8.根據(jù)權利要求1所述的具備高精度、溫度補償?shù)膬A角傳感器的動態(tài)補償方法，其特征在于：通過以下步驟實現(xiàn)：

（一）、通過雙軸加速度傳感器（13）分別測量出兩個軸向的比力，通過雙軸的角速率傳感器分別測量出2個軸向的角速率值；

（二）、利用動態(tài)補償原理，計算出傾角傳感器的最終傾角值：

在傾角傳感器處于運動狀態(tài)時，基于控制原理的控制調平對準方法可得，速度????????????????????????????????????????????????通道的理論計算公式：

???????????????????????（1）???????????????????????????????????

式中的和分別由雙軸加速度傳感器（13）的X軸陀螺和Y軸加速度計測量得到，表示X軸角速率值，表示Y軸比力值，假設和分別包含漂移誤差和零偏誤差，即假設雙軸角速率傳感器（14）和雙軸加速度傳感器（13）的實際測量值分別為和，?和?也是含有誤差的，假設?和?的實際計算值分別為和，并定義傾角誤差和速度誤差，這樣式（1）變換為

????????????????（2）??????????????

將式（2）減去式（1），得速度誤差的變化規(guī)律：

???????????????????????（3）???????????????

利用速度誤差信號控制傾角誤差衰減，其中為調平控制律的輸出，和?為控制參數(shù)，得復頻域輸入輸出關系:

???????????????????(4)?????????

式（4）中，表示漂移誤差，表示零偏誤差，

得到以后，代入式即可得到真實的傾角值，

同理，再求出另外一個軸的傾角值；

（三）、根據(jù)X軸和Y軸的傾角值合成2維面角：

二維面角的計算方法：?

雙軸加速度傳感器（13）的兩個軸分別對應的X，Y軸正交設置，假設存在第三個軸Z，X、Y、Z三個軸滿足右手定則，假設以傾角傳感器的初始位置為參考坐標系，即?OXYZ坐標系，當傳感器在空間發(fā)生姿態(tài)變化時，即最終姿態(tài)坐標為O’X’Y’Z’坐標系，其與初始坐標軸的夾角分別為θ、ψ、φ，其中，θ為X軸在平面?ZOX中由原+X轉到+X’所轉過的角度，ψ為Y軸在平面?ZOY中由原+Y轉到+Y’所轉過的角度，φ角就是雙軸加速度傳感器所在平面XOY與重力方向所對應的夾角；

通過對雙軸加速度傳感器X，Y軸的測量可知

θ=arcsin(Xout);

ψ=?arcsin(Yout);

要使平面ZOX變化到Z’OX’，即把X軸沿平面ZOX逆時針旋轉θ度，則φ’=?θ

于是Z’?=?cosφ’×?1g?=?cosθ×?1g

再將次狀態(tài)在ZOY平面內旋轉變化，即把Y軸沿ZOY平面順時針旋轉ψ度，即由OXYZ姿態(tài)到O’X’Y’Z’姿態(tài)，則φ’=ψ

所以Z’’=?cosφ’×?Z’?=?cosψ×Z’?=?cosθcosψ，

因此，Z’’與+Z軸所轉過的角度φ=?arcos（cosθcosψ），角度φ即是傾角傳感器基準面和水平面的傾角值，其中θ和ψ是步驟（二）得出的X軸和Y軸的傾角值。