[發明專利]一種單軸旋轉載體轉軸轉角慣性測量系統及方法

有效

• 申請號: 202010065332.3
• 申請日: 2020-01-20
• 公開（公告）號: CN111220114B
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發明（設計）人: 田新誠;孫玉杰;徐小龍;馬昕;宋銳
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01B21/22
• 分類號: G01B21/22;G01C21/16
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 李圣梅

1.一種單軸旋轉載體轉軸轉角慣性測量系統，其特征在于，包括慣性測量設備和計算機，所述慣性測量設備包括微處理器，和與微處理器電信號連接的三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁力計；慣性測量設備還具有固定端，慣性測量設備通過固定端固定設置在旋轉載體的任一平面的任一位置上；

慣性測量設備與計算機通訊連接；

計算機用于根據慣性測量設備的姿態信息解算旋轉載體的轉軸轉角；

慣性測量設備從第一位置順時針運動到第二位置所轉過的角度θ即為所求的單軸旋轉載體的轉角θ，方程為：其中q_i，i＝1,2,△為單位四元數，q_jk，j＝1,2,△；k＝1,2,3,4，為組成四元數的四個參數；r_x、r_y和r_z為旋轉軸r在坐標系的X、Y和Z軸上的分量；

由于引入轉軸分量的倒數，當轉軸太小時，計算得到的轉角將失真；當中間旋轉角度變量α太小時，所測得的轉軸姿態會發散，當α大于設定閾值ξr時，引入均值濾波；在實際應用中靈活設置轉軸的閾值ξr；根據轉軸閾值ξr，定義三個增益系數：

至此，單軸旋轉載體的轉角計算公式為：

2.如權利要求1所述的單軸旋轉載體轉軸轉角慣性測量系統，其特征在于，所述慣性測量設備還包括通信組件和電源組件。

3.如權利要求2所述的單軸旋轉載體轉軸轉角慣性測量系統，其特征在于，電源組件為微處理器、三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁力計和通信組件供電；通信組件用于將慣性測量設備解算得到的姿態信息通過串口、網線、藍牙和WiFi方式傳輸到計算機。

4.如權利要求1-3任一所述的單軸旋轉載體轉軸轉角慣性測量系統的測量方法，其特征在于，步驟包括：

S1、慣性測量設備與單軸旋轉載體的任一平面的任一位置固定連接；

S2、根據慣性測量設備輸出的姿態信息計算單軸旋轉載體的轉軸姿態信息；

S3、根據計算得到的轉軸姿態信息和慣性測量設備輸出的姿態信息計算單軸旋轉載體的轉角信息。

5.根據權利要求4所述的單軸旋轉載體轉軸轉角慣性測量方法，其特征在于，所述步驟S2具體包括：O₁X₁Y₁Z₁為旋轉載體的所在的坐標系；O₂X₂Y₂Z₂為慣性測量設備自身的參考坐標系；假設旋轉載體繞旋轉軸r＝[r_x r_y r_z]^T做逆時針旋轉運動，逆時針轉動時的角度為正；由于慣性測量設備固定于載體表面上，慣性測量設備從第一位置順時針運動到第二位置所轉過的角度θ即為所求的單軸旋轉載體的轉角θ；其中，r_x、r_y和r_z為旋轉軸r在坐標系的X、Y和Z軸上的分量。