[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

本發明提供了一種單軸旋轉載體轉軸轉角慣性測量系統及方法，系統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；通過求解增量四元數，結合增量四元數與軸角對的關系，可實時輸出單軸旋轉載體的轉軸轉角信息，該方法操作簡單，無需假設復雜的測量設備，簡化了測量過程，設備體積小，完全依靠自身設備工作，隱蔽性好，工作不受測量環境限制，測量靈活，可靠性高。

技術領域

本發明屬于慣性檢測技術領域，是一種靈活方便高精度的單軸旋轉載體轉軸轉角測量系統及方法，涉及一種基于工業級三軸陀螺儀、工業級三軸加速度計以及工業級三軸磁力計的單軸旋轉載體轉軸轉動角度的測量系統及方法。

背景技術

在機器人、航空航天、醫療康復等領域，對單軸旋轉載體的轉軸和轉動角度進行靈活準確的測量，從而可以達到對其進行參數修正、故障診斷和有效的控制的目的。目前對于單軸旋轉載體的轉軸轉角測量，根據測量原理不同，可以分為機械測量、電磁測量、光學測量和基于視覺的測量等。機械測量方法需要改變單軸旋轉載體的初始結構，測量過程復雜。電磁測量方法需要進行復雜的安裝和校正。光學測量和基于視覺的測量方法需要特殊的測量設備，如激光干涉儀和攝像機等，設備架設復雜，并且對測量環境要求較高，測量過程中一旦出現遮擋，測量將中斷。

上述方法在對測量靈活性要求不高的場合，可以實現較高的轉軸轉角測量精度。但在測量空間有限，難以架設復雜的測量設備，要求測量具有高度靈活性的場合，比如實時測量協作型機器人在與人協同工作過程中的某個關節轉動的角度，上述方法并不適用。此外，上述方法在進行轉角測量時，通常需要轉軸為已知狀態，在轉軸未知情況下難以進行轉角測量。

發明內容

為實現對單軸旋轉載體的靈活方便高精度的轉軸轉角測量，本發明提出一種單軸旋轉載體轉軸轉角慣性測量系統及方法。該方法中慣性測量設備體積小，完全依靠自身設備工作，隱蔽性好，工作不受測量環境限制，測量靈活，可靠性高。

本發明針對現有單軸旋轉載體轉軸轉角測量方法測量過程復雜，測量過程不靈活等問題，提出一種單軸旋轉載體轉軸轉角慣性測量方法，目的是提供一種靈活方便的轉軸轉角慣性測量方法，提高單軸旋轉載體轉軸轉角測量的精度和靈活性。

第一方面，本發明提供了一種單軸旋轉載體轉軸轉角慣性測量系統，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。

進一步的，所述慣性測量設備還包括通信組件和電源組件；

進一步的，電源組件為微處理器、工業級三軸加速度計、工業級三軸陀螺儀、工業級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。

第二方面，本發明還提供了如第一方面所述的單軸旋轉載體轉軸轉角慣性測量系統的測量方法，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。