[發明專利]一種基于雙軸傾角傳感器的空間旋轉角度測量方法

無效

• 申請號: 201210279400.1
• 申請日: 2012-08-07
• 公開（公告）號: CN102809367A
• 公開（公告）日: 2012-12-05
• 發明（設計）人: 曹建安;吳昊;王亮;張樂平;苗勵文
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01C1/00
• 分類號: G01C1/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

技術領域

本發明屬于幾何長度測量技術領域，涉及一種空間旋轉角度測量方法，尤其是一種基于雙軸傾角傳感器的空間旋轉角度測量方法。

背景技術

現有技術中，關于角度測量，有多種方法，如機械指針式測角儀、激光測量旋轉角度、電子羅盤、傾角傳感器和陀螺儀。

機械指針式角度測量儀，只能適合空間旋轉軸平行于水平面的情況。因為機械式角度測量儀，其指針的擺動是依靠重力和指針軸的微小摩擦力，如果旋轉軸傾斜，則指針軸摩擦力增大，導致指針擺動不準確。電子羅盤是以微弱的地磁方向為基準，檢測當前方向和地磁方向的夾角，獲得當前的方位角。顯然，電子羅盤不能檢測以地磁方向為旋轉軸的旋轉角度。而一般情況下，地磁方向幾乎就是水平方向，所以，電子羅盤不能檢測一個方向的傾角。陀螺儀是速率傳感器，能檢測當前旋轉速率，通過速率積分，可獲得當前的旋轉角度，而且是全方位的角度檢測。但是陀螺儀的主要問題就是其游走誤差，即使在角度不變的情況下，陀螺仍有輸出信號，這顯然無法精確測量角度。

傾角傳感器能夠檢測任何一個非垂直于水平面和水平面之間的靜態夾角，而且測量結果穩定、可靠。特別是現在采用MEMS工藝制造的微型傾角傳感器，其測量準確度更高。但是，現有的傾角傳感器及其模塊有兩個缺點：1）只能測量靜態角度，即只能測量當前平面和水平面之間的夾角，不能測量旋轉軸和水平面有夾角情況下的空間旋轉角；2）要求傳感器和及其外殼必須水平面安裝，否則測量不準確。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供一種基于雙軸傾角傳感器的空間旋轉角度測量方法，其通過傳感器和旋轉軸之間空間位置關系，建立數學模型，并獲得解析解，從而計算出圍繞旋轉軸旋轉的角度。所以，該方法能夠測量空間旋轉角度，且該旋轉軸不一定平行于水平面，

本發明的目的是通過以下技術方案來解決的：

這種基于雙軸傾角傳感器的空間旋轉角度測量方法，包括以下步驟：

1）使雙軸傾角傳感器的兩個軸相互垂直，其輸出電壓是以水平面為參考的角度的正弦值；以旋轉軸為Y軸，設逆時針旋轉方向為正，旋轉角度為θ，其在水平面的投影為y軸，兩個軸交點為o，設旋轉軸和水平面的夾角β，即β＝∠Yoy，β∈[0,π/2]；z軸垂直于水平面，設定x軸方向，構成右手笛卡爾坐標系xyzo；令X軸和x軸重合，Z軸垂直X、Y軸，同樣構成笛卡爾坐標系XYZo；設雙軸傾角傳感器的兩個軸為u和v，其交點定在o點，因為ou和ov是相互垂直的，設過o點的uov平面的法向量為ow，且，ou、ov和ow都為單位長度向量，ou的單位長度設為oP=|ou|，oP在yoz平面上的投影為oQ，定義oQ和旋轉軸Y之間的夾角為γ，γ∈[-π/2,π/2]，設oP和x/X軸之間的夾角為α，α∈[0,2π]；

2）以uvwo坐標系的ow軸在yoz平面上為轉動參考零位，即ow、oZ、oz、oQ、oY和oy都在一個平面上，那么，∠Zoz＝β和∠woZ=γ；如果ow軸不在yoz平面上，就通過旋轉oY軸，將ow軸旋轉到yoz平面，并以此為零位；

3）設ow、ou、ov和oY的單位向量分別為和其在xyzo坐標系的向量表達為：