CN105737793B - 滚转角测量单元及测量方法 - Google Patents
滚转角测量单元及测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105737793B CN105737793B CN201610313008.2A CN201610313008A CN105737793B CN 105737793 B CN105737793 B CN 105737793B CN 201610313008 A CN201610313008 A CN 201610313008A CN 105737793 B CN105737793 B CN 105737793B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- signal
- pending
- angular speed
- discrete
- acceleration
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 65
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 61
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 title claims abstract description 50
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims abstract description 103
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 81
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 70
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 43
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 42
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 29
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 109
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 43
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 27
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 26
- 238000012163 sequencing technique Methods 0.000 claims description 12
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 claims description 10
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 8
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 238000006880 cross-coupling reaction Methods 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 3
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 2
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 2
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 description 1
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C1/00—Measuring angles
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
- G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
- G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
- G01C21/16—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation
- G01C21/165—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation combined with non-inertial navigation instruments
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P7/00—Measuring speed by integrating acceleration
-
- G01P9/00—
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
本发明公开了一种滚转角测量单元及测量方法，该测量单元包括布设在被测对象上的检测模块、模数转换模块和对模数转换模块所采集信号进行分析处理并同步输出被测对象的滚转角与滚转角速率的数据处理器；检测模块包括对被测对象所处环境的磁场强度进行实时检测的磁传感器、对被测对象的加速度进行实时检测的加速度计和对被测对象的旋转角速率进行实时检测的陀螺仪；该滚转角测量方法包括步骤：一、被测对象初始角速率测量；二、采样频率与分析处理频率确定；三、信号采集及同步传送；四、信号分析处理。本发明设计合理且使用操作简便、使用效果好，能在高过载、高转速和抗电磁干扰环境下对被测对象的滚转角进行简便、快速测量，且测量精度高。
Description
技术领域
本发明属于角度测量技术领域，尤其是涉及一种滚转角测量单元及测量方法。
背景技术
随着现代国防事业发展、现在民用航空事业的发展及特殊工业领域的发展，对空中飞行的物体或旋转物体进行实时姿态测量，并反馈给控制***以调整飞行或旋转姿态达到最佳并按照预定程序进行飞行或旋转。尤其是在当今环境复杂，环境中包含各种电磁干扰，如何在复杂环境下在飞行物体上实时测量和解算载体的转速和滚转角是一个棘手的问题，并且通常要求能够适应高过载、高转速和抗电磁干扰的环境下依然能够输出稳定可靠的测量信号。
对于导弹(或飞机)来说，确定导弹(或飞机)在空间中的方向需要确定三个角度，分别为偏航角、俯仰角和滚转角。其中，滚转角定义为弹体的Oy轴与惯性坐标系的夹角，即弹体沿纵轴转过的角度，通常用γ来表示。对滚转角进行测量的传统测量方式为采用陀螺仪进行测量，但采用陀螺测量角度时随时间累积会导致角度误差越来越大，采用加速度计测量角度时需要提供基准面，并且在电磁干扰、震动干扰等条件无法进行准确测量。因而，需设计一种设计合理、使用操作简便且使用效果好的滚转角测量单元及测量方法，能对被测对象的滚转角进行简便、快速、准确测量，能满足高过载、高转速和抗电磁干扰环境下的测量需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种滚转角测量单元，其结构简单、设计合理且使用操作简便、使用效果好，能在高过载、高转速和抗电磁干扰环境下对被测对象的滚转角进行简便、快速测量，且测量精度高。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种滚转角测量单元，其特征在于：包括布设在被测对象上的检测模块、对所述检测模块所检测信号进行采集的模数转换模块和对模数转换模块所采集信号进行分析处理并同步输出被测对象的滚转角与滚转角速率的数据处理器，所述模数转换模块与数据处理器连接；所述检测模块包括对被测对象所处环境的磁场强度进行实时检测的磁传感器、对所述被测对象的加速度进行实时检测的加速度检测单元和对所述被测对象的旋转角速率进行实时检测的角速率检测单元，所述磁传感器、加速度检测单元和角速率检测单元均与模数转换模块连接。
上述滚转角测量单元，其特征是：所述被测对象为旋转轴平行于地平面或旋转轴与地平面之间的夹角小于90°的旋转物体。
上述滚转角测量单元，其特征是：还包括信号调理电路和与数据处理器连接的数据传输接口，所述磁传感器、加速度检测单元和角速率检测单元均经信号调理电路与模数转换模块连接。
上述滚转角测量单元，其特征是：还包括电源模块，所述磁传感器、加速度检测单元、角速率检测单元、模数转换模块和数据处理器均与电源模块连接；
所述磁传感器为磁力计，所述加速度检测单元为加速度计，所述角速率检测单元为陀螺仪。
同时，本发明公开了一种方法步骤简单、设计合理且实现简便、使用效果好的滚转角测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一、被测对象初始角速率测量：滚转角测量之前，采用所述角速率检测单元对所述被测对象的角速率进行测量，得出所述被测对象的初始角速率w0；
步骤二、采样频率与分析处理频率确定：根据步骤一中测量得出的初始角速率w0，对模数转换模块的采样频率fc和数据处理器的分析处理频率fd分别进行确定；
其中，
公式(1)中，N为正整数且N＝5～20；
fc＝m×f0(2)，公式(2)中，m为正整数且m≥3；
步骤三、信号采集及同步传送：采用模数转换模块且按照步骤二中确定的采样频率fc对所述检测模块所检测信号进行采集，并将各采样时刻所采集信号与采样时间同步传送至数据处理器；所述数据处理器对所接收到的模数转换模块各采样时刻所采集信号与采样时间进行同步存储；
所述模数转换模块每一个采样时刻所采集信号均包括该采样时刻采集到的磁场强度值、加速度值和角速率值；
步骤四、信号分析处理：所述数据处理器按照步骤二中确定的分析处理频率fd且按照时间先后顺序，对各分析处理周期内所述模数转换模块所采集信号分别进行分析处理；其中，所述数据处理器对任一个分析处理周期内所述模数转换模块所采集信号进行分析处理时，过程如下：
步骤401、滤波处理：调用滤波处理模块，对当前分析处理周期内所述模数转换模块所采集信号进行滤波处理；
当前分析处理周期内所述模数转换模块所采集信号包括m×N个采样时刻采集到的磁场强度值、加速度值和角速率值；其中，m×N个采样时刻采集到的磁场强度值按照采样时间先后顺序由前至后排列后组成待处理磁场强度离散信号，m×N个采样时刻采集到的加速度值按照采样时间先后顺序由前至后排列后组成待处理加速度离散信号，m×N个采样时刻采集到的角速率值按照采样时间先后顺序由前至后排列后组成待处理角速率离散信号；
本步骤中，对当前分析处理周期内所述模数转换模块所采集信号进行滤波处理时，调用所述滤波处理模块，对所述待处理磁场强度离散信号、所述待处理加速度离散信号和所述待处理角速率离散信号分别进行滤波处理；
步骤402、波峰或波谷识别：调用波峰识别模块或波谷识别模块，由前至后对步骤401中滤波处理后的所述待处理磁场强度离散信号和所述待处理加速度离散信号分别进行波峰或波谷识别，并根据识别结果将所述待处理磁场强度离散信号和所述待处理加速度离散信号分别划分为K个信号周期，并对所述待处理磁场强度离散信号和所述待处理加速度离散信号中K个信号周期的周期值和角速率值分别进行确定；其中，K为正整数；
步骤403、滚转角计算，包括以下步骤：
步骤4031、离散积分处理：根据步骤402中所确定的所述待处理磁场强度离散信号中K个信号周期的角速率值，并结合步骤二中确定的采样频率fc，调用离散积分处理模块对所述待处理磁场强度离散信号中K个信号周期内各采样时刻的角速率值进行积分，得到磁场强度离散信号积分得出的角度值θm；
并且，根据步骤402中所确定的所述待处理加速度离散信号中K个信号周期的角速率值，并结合步骤二中确定的采样频率fc，调用所述离散积分处理模块对所述待处理加速度离散信号中K个信号周期内各采样时刻的角速率值进行积分，得到加速度离散信号积分得出的角度值θa；
同时，根据步骤401中所述待处理角速率离散信号中各采样时刻采集到的角速率值，并结合步骤二中确定的采样频率fc，调用所述离散积分处理模块对所述待处理角速率离散信号中各采样时刻采集到的角速率值进行积分，得到加速度离散信号积分得出的角度值θg；
步骤4032、权重系数确定：先调用方差计算模块，对所述待处理磁场强度离散信号中K个信号周期的周期值的方差Sm和所述待处理加速度离散信号中K个信号周期的周期值的方差Sa分别进行计算；再调用权重系数计算模块且根据公式和计算得出磁场强度权重系数Um和加速度权重系数Ua；
同时，将所述待处理磁场强度离散信号和所述待处理加速度离散信号中K个信号周期的周期值分别进行平均，得出所述待处理角速率离散信号中K个信号周期的周期值；再调用所述方差计算模块计算得出所述待处理角速率离散信号中K个信号周期的周期值的方差Sg，并根据公式 计算得出角速率权重系数Ug；
步骤4033、滚转角计算：调用滚转角计算模块，且根据公式
计算得出此时所述被测对象的滚转角θ；
公式(4)中，U＝Um+Ua+Ug (4-1)；
步骤404、分析处理结果输出：调用数据输出模块，输出此时所述被测对象的滚转角θ和角速率wg；其中，wg为所述待处理角速率离散信号中最后一个采样时刻采集到的角速率值；
405、返回步骤401，对下一个分析处理周期内所述模数转换模块所采集信号进行分析处理。
上述方法，其特征是：步骤401中对当前分析处理周期内所述模数转换模块所采集信号进行滤波处理时，先进行卡尔曼滤波处理，再进行低通滤波处理。
上述方法，其特征是：步骤401中进行滤波处理之前，先调用信号补偿处理模块，对当前分析处理周期内所述模数转换模块所采集信号进行补偿处理；所述信号补偿处理模块为非线性补偿模块和/或温度补偿模块。
上述方法，其特征是：步骤402中所述待处理磁场强度离散信号和所述待处理加速度离散信号中的K个信号周期均按照采样先后顺序由前至后进行排列；
所述待处理磁场强度离散信号中第k个信号周期的周期值记作Tmk，其中k为正整数且k＝1、2、…、K；
所述待处理加速度离散信号中第k个信号周期的周期值记作Tak；
步骤4033中所述待处理角速率离散信号中第k个信号周期的周期值记作Tgk，其中
上述方法，其特征是：步骤402中所述待处理磁场强度离散信号和所述待处理加速度离散信号中的K个信号周期均按照采样先后顺序由前至后进行排列；
所述待处理磁场强度离散信号中第k个信号周期的周期值记作Tmk，其中k为正整数且k＝1、2、…、K；
步骤402中调用所述波峰识别模块或所述波谷识别模块，由前至后对步骤401中滤波处理后的所述待处理磁场强度离散信号进行波峰或波谷识别后，获得所述待处理磁场强度离散信号的K'个波峰值或K'个波谷值，所述波峰值和所述波谷值均为信号周期判断值且二者均为所述磁场强度值；再根据所述待处理磁场强度离散信号的K'个所述信号周期判断值的采样时间，得出所述待处理磁场强度离散信号的K个信号周期的周期值；其中，Tmk为所述待处理磁场强度离散信号的第k+1个所述信号周期判断值和第k个所述信号周期判断值的采样时间间隔；其中，K'＝K+1；
步骤402中调用所述波峰识别模块或所述波谷识别模块，由前至后对步骤401中滤波处理后的所述待处理加速度离散信号进行波峰或波谷识别后，获得所述待处理加速度离散信号的K'个波峰值或K'个波谷值，所述波峰值和所述波谷值均为信号周期判断值且二者均为所述加速度值；再根据所述待处理加速度离散信号的K'个所述信号周期判断值的采样时间，得出所述待处理加速度离散信号的K个信号周期的周期值；其中，Tak为所述待处理加速度离散信号的第k+1个所述信号周期判断值和第k个所述信号周期判断值的采样时间间隔。
上述方法，其特征是：步骤4032中对所述待处理磁场强度离散信号中K个信号周期的周期值的方差Sm进行计算时，根据公式
进行计算；公式(5-1)中，
对所述待处理加速度离散信号中K个信号周期的周期值的方差Sa进行计算时，根据公式
进行计算；公式(6-1)中，
对所述待处理角速率离散信号中K个信号周期的周期值的方差Sg进行计算时，根据公式
进行计算；公式(6-1)中，
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、所采用的滚转角测量单元结构简单、设计合理且加工制作简便、接线方便，投入成本较低。
2、所采用的滚转角测量单元安装简便，只需平整安装在被测对象上即可，安装要求低。
3、所采用的滚转角测量单元使用操作简便且智能化程度高、使用效果好，集合先进的磁传感器(也称磁感应传感器)、MEMS陀螺仪和加速度计的测量单元，能够在复杂环境中，并在高转速和高过载的情况下测量出转速(即角速率)和滚转角，结合MEMS技术的优点，该滚转角测量单元体积小、安装使用方便，在测量旋转运动物体中具有很好的应用前景。该滚转角测量单元能用来测量运动态环境下被测对象的滚转角(0°～360°)和滚转角速率，结合了磁传感器、MEMS陀螺仪传感器和MEMS加速度计传感器，无需提供基准面和参考信号，在旋转过程中可自行解算出滚转角和角速率，具有抗冲击、抗电磁干扰，体积小、安装使用方便等特点。
4、所采用的滚转角测量方法步骤简单、设计合理且实现方便，测量速度快、数据处理量小，能按照预先确定的分析处理频率同步计算出滚转角和滚转角度率(也称角度率)，测量速度非常快，能在数十秒，甚至数秒内完成分析处理过程，实时性强，并且测量精度高。
5、实用价值高、经济效益及社会效益显著，通过磁传感器能够感知被测对象周围磁场环境的变化，MEMS加速度计传感器能够感知被测对象旋转时的重力变化规律，MEMS陀螺仪可测量被测对象的旋转角速率，通过数据处理器融合处理磁传感器、加速度计和陀螺仪三种传感器所测量到的信号解算出滚转角和转速，具有以下优点：第一、响应速度快，无延时，可抗电磁干扰，抗振动，抗冲击；第二、无需基准参考平面，安装后直接可以使用；第三、体积小、功耗低，安装使用方便。采用本发明能有效解决在旋转物体上测量角度时无法提供绝对的参考平面和时间累积带来误差累积的问题，并且在高速旋转时，在有电磁电磁干扰或震动的情况下依然能够稳定可靠的解算出载体的滚转角和转速。
本发明将磁传感器、加速度计和陀螺仪相结合，能有效避免现有单一传感器测量时存在的弊端，如采用陀螺测量角度时随时间累积会导致角度误差越来越大，而采用加速度计测量角度时需要提供基准面，并且在电磁干扰、震动干扰等条件无法进行准确测量的问题。
6、适用面广且推广应用前景广泛，能应用于军工领域和其它特殊工业领域的测量应用，尤其是在军工领域中应用广泛，如火箭弹、空中高速飞行旋转条件下载体的角速率和滚转角实时动态的测量，滚转角测量范围为0°～360°，角速率测量范围为0°/s～5400°/s。通过磁传感器、MEMS加速度计传感器和MEMS陀螺仪传感器实时测量被测量物体(即被测对象)所处环境的状态，通过融合处理磁传感器、加速计和陀螺仪三种传感器测量到的信号并解算出被测对象的实时滚转角和角速率。
综上所述，本发明设计合理且使用操作简便、使用效果好，能在高过载、高转速和抗电磁干扰环境下对被测对象的滚转角进行简便、快速测量，且测量精度高。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明滚转角测量单元的电路原理框图。
图2为本发明进行滚转角测量时的方法流程框图。
附图标记说明:
1—磁力计； 2—加速度计； 3—陀螺仪；
4—信号调理电路； 5—模数转换模块； 6—数据处理器；
7—数据传输接口； 8—电源模块。
具体实施方式
如图1所示的一种滚转角测量单元，包括布设在被测对象上的检测模块、对所述检测模块所检测信号进行采集的模数转换模块5和对模数转换模块5所采集信号进行分析处理并同步输出被测对象的滚转角与滚转角速率的数据处理器6，所述模数转换模块5与数据处理器6连接；所述检测模块包括对被测对象所处环境的磁场强度进行实时检测的磁传感器、对所述被测对象的加速度进行实时检测的加速度检测单元和对所述被测对象的旋转角速率进行实时检测的角速率检测单元，所述磁传感器、加速度检测单元和角速率检测单元均与模数转换模块5连接。
本实施例中，所述被测对象为旋转轴平行于地平面或旋转轴与地平面之间的夹角小于90°的旋转物体。
同时，本发明所述的滚转角测量单元，还包括信号调理电路4和与数据处理器6连接的数据传输接口7，所述磁传感器、加速度检测单元和角速率检测单元均经信号调理电路4与模数转换模块5连接。
本实施例中，本发明所述的滚转角测量单元，还包括电源模块8，所述磁传感器、加速度检测单元、角速率检测单元、模数转换模块5和数据处理器6均与电源模块8连接；
本实施例中，所述磁传感器为磁力计1，所述加速度检测单元为加速度计2，所述角速率检测单元为陀螺仪3。
实际使用时，所述磁传感器也可以采用其它类型的磁感应传感器，所述加速度检测单元也可以采用其它类型的加速度检测装置，所述角速率检测单元也可以采用其它类型的角速率检测装置。
并且，所述信号调理电路4和数据传输接口7均与电源模块8连接。
实际加工时，所述磁力计1、加速度计2、陀螺仪3、信号调理电路4、模数转换模块5、数据处理器6、数据传输接口7和电源模块8均安装在一块电子线路板上，并可将所述电子线路板安装在一个外壳内。本实施例中，所述加速度计2为MEMS加速度计，所述陀螺仪3为MEMS陀螺仪。
实际安装时，只需将本发明所述的滚转角测量单元平整安装在所述被测对象(如转动载体、旋转物体等)上并固定好。实际使用时，本发明所述的滚转角测量单元随所述被测对象一起运动，并按照预先确定的分析处理频率fd同步输出所述被测对象的滚转角和滚转角速率。本发明所述的滚转角测量单元能对旋转轴平行于地平面或与地平面的夹角小于90°的所述被测对象的滚转角和滚转角速率的分别进行测量。本发明所述滚转角测量单元的安装无特殊要求，只需平整安装即可。
实际使用时，所述磁力计1、加速度计2和陀螺仪3所检测信号经信号调理电路4后进入模数转换模块5，经模数转换模块5采集并转换后的数字信号再送入数据处理器6中，再通过数据处理器6进行分析处理，并实时输出所述被测对象的滚转角和滚转角速率。
本实施例中，所述模数转换模块5与数据处理器6之间通过串行通信接口进行连接。
所述模数转换模块5的采样过程对数据处理器6的分析处理过程起至关重要的作用，该模数转换模块5通过多通道同时采集同一时刻磁力计1、加速度计2和陀螺仪3所检测的信号。同时，所述模数转换模块5的转换数据位ADCbit(也称转换精度)、噪声等都有较高的要求。所述模数转换模块5的转换精度与其参考电压Vref和所述检测模块所检测信号(即被模数转换的信号)的最小分辨率Vsen有关，根据参考电压Vref和最小分辨率Vsen即可对模数转换模块5的转换数据位ADCbit进行确定。其中，最小分辨率Vsen指的是所述检测模块所检测信号(即被模数转换的信号)的最小变化量，即能分辨出的最小变化量。
本实施例中，所述模数转换模块5的参考电压Vref为2.5V，所述检测模块所检测信号(即被模数转换的信号)的最小分辨率Vsen为0.0002V，根据计算得出模数转换模块5的最低有效位位数为16位，若加上模数转换器中存在一定的误差，因而模数转换模块5的位数应大于16位。本实施例中，结合实际使用情况，所述模数转换模块5选用15通道24位精度的模数转换器。
如图2所示的一种滚转角测量方法，包括以下步骤：
步骤一、被测对象初始角速率测量：滚转角测量之前，采用所述角速率检测单元对所述被测对象的角速率进行测量，得出所述被测对象的初始角速率w0；
步骤二、采样频率与分析处理频率确定：根据步骤一中测量得出的初始角速率w0，对模数转换模块5的采样频率fc和数据处理器6的分析处理频率fd分别进行确定；
其中，
公式(1)中，N为正整数且N＝5～20；
fc＝m×f0(2)，公式(2)中，m为正整数且m≥3；
步骤三、信号采集及同步传送：采用模数转换模块5且按照步骤二中确定的采样频率fc对所述检测模块所检测信号进行采集，并将各采样时刻所采集信号与采样时间同步传送至数据处理器6；所述数据处理器6对所接收到的模数转换模块5各采样时刻所采集信号与采样时间进行同步存储；
所述模数转换模块5每一个采样时刻所采集信号均包括该采样时刻采集到的磁场强度值、加速度值和角速率值；所述磁场强度值为所述磁传感器所检测的磁场强度值，所述加速度值为所述加速度检测单元所检测的加速度值，所述角速率值为所述角速率检测单元所检测的角速率值；
步骤四、信号分析处理：所述数据处理器6按照步骤二中确定的分析处理频率fd且按照时间先后顺序，对各分析处理周期内所述模数转换模块5所采集信号分别进行分析处理；其中，所述数据处理器6对任一个分析处理周期内所述模数转换模块5所采集信号进行分析处理时，过程如下：
步骤401、滤波处理：调用滤波处理模块，对当前分析处理周期内所述模数转换模块5所采集信号进行滤波处理；
当前分析处理周期内所述模数转换模块5所采集信号包括m×N个采样时刻采集到的磁场强度值、加速度值和角速率值；其中，m×N个采样时刻采集到的磁场强度值按照采样时间先后顺序由前至后排列后组成待处理磁场强度离散信号，m×N个采样时刻采集到的加速度值按照采样时间先后顺序由前至后排列后组成待处理加速度离散信号，m×N个采样时刻采集到的角速率值按照采样时间先后顺序由前至后排列后组成待处理角速率离散信号；
本步骤中，对当前分析处理周期内所述模数转换模块5所采集信号进行滤波处理时，调用所述滤波处理模块，对所述待处理磁场强度离散信号、所述待处理加速度离散信号和所述待处理角速率离散信号分别进行滤波处理；
步骤402、波峰或波谷识别：调用波峰识别模块或波谷识别模块，由前至后对步骤401中滤波处理后的所述待处理磁场强度离散信号和所述待处理加速度离散信号分别进行波峰或波谷识别，并根据识别结果将所述待处理磁场强度离散信号和所述待处理加速度离散信号分别划分为K个信号周期，并对所述待处理磁场强度离散信号和所述待处理加速度离散信号中K个信号周期的周期值和角速率值分别进行确定；其中，K为正整数；
步骤403、滚转角计算，包括以下步骤：
步骤4031、离散积分处理：根据步骤402中所确定的所述待处理磁场强度离散信号中K个信号周期的角速率值，并结合步骤二中确定的采样频率fc，调用离散积分处理模块对所述待处理磁场强度离散信号中K个信号周期内各采样时刻的角速率值进行积分，得到磁场强度离散信号积分得出的角度值θm；
并且，根据步骤402中所确定的所述待处理加速度离散信号中K个信号周期的角速率值，并结合步骤二中确定的采样频率fc，调用所述离散积分处理模块对所述待处理加速度离散信号中K个信号周期内各采样时刻的角速率值进行积分，得到加速度离散信号积分得出的角度值θa；
同时，根据步骤401中所述待处理角速率离散信号中各采样时刻采集到的角速率值，并结合步骤二中确定的采样频率fc，调用所述离散积分处理模块对所述待处理角速率离散信号中各采样时刻采集到的角速率值进行积分，得到加速度离散信号积分得出的角度值θg；
步骤4032、权重系数确定：先调用方差计算模块，对所述待处理磁场强度离散信号中K个信号周期的周期值的方差Sm和所述待处理加速度离散信号中K个信号周期的周期值的方差Sa分别进行计算；再调用权重系数计算模块且根据公式和计算得出磁场强度权重系数Um和加速度权重系数Ua；
同时，将所述待处理磁场强度离散信号和所述待处理加速度离散信号中K个信号周期的周期值分别进行平均，得出所述待处理角速率离散信号中K个信号周期的周期值；再调用所述方差计算模块计算得出所述待处理角速率离散信号中K个信号周期的周期值的方差Sg，并根据公式 计算得出角速率权重系数Ug；
步骤4033、滚转角计算：调用滚转角计算模块，且根据公式
计算得出此时所述被测对象的滚转角θ；
公式(4)中，U＝Um+Ua+Ug (4-1)；
步骤404、分析处理结果输出：调用数据输出模块，输出此时所述被测对象的滚转角θ和角速率wg；其中，wg为所述待处理角速率离散信号中最后一个采样时刻采集到的角速率值；
405、返回步骤401，对下一个分析处理周期内所述模数转换模块5所采集信号进行分析处理。
其中，步骤403中进行滚转角计算，也称为滚转角解算。
本实施例中，步骤二中所述的N＝10。
实际使用过程中，根据采样定律，所述模数转换模块5的采样频率fc必须大于被转换信号最高频率的2倍，实际应用中模数转换模块5的采样频率fc一般为被转换信号最高频率的5～10倍，并且采样频率fc越高得到的实际信息就越详细，对于角度和转速的解算更有利，同时由于模数转换器的采样时会有随机噪声的引入，并且采样速率越高噪声越大，而噪声的大小会影响到解算结果，采样频率fc越高也会加重数据处理器6的负担。综合考虑，本实施例中，步骤二中所述的fc＝3×f0，即m＝3。
实际使用时，可根据具体需要，对N和m的取值大小进行相应调整。
本实施例中，步骤401中进行滤波处理之前，先调用信号补偿处理模块，对当前分析处理周期内所述模数转换模块5所采集信号进行补偿处理；所述信号补偿处理模块为非线性补偿模块和/或温度补偿模块。
并且，实际进行补偿处理时，所述非线性补偿模块按照常规的非线性补偿方法，对所述模数转换模块5所采集信号进行补偿处理；并且，所述温度补偿模块按照常规的温度补偿方法，对所述模数转换模块5所采集信号进行补偿处理。其中，非线性补偿原理是将信号按照分段取线性的原则，根据补偿系数进行校正。温度补偿则是传感器在不同温度状态下存在一定的偏移，按照温度偏移系数将信号校正到正确的范围内。
实际使用时，也可以采用交叉耦合补偿模块，且按照常规的交叉耦合补偿方法对所述模数转换模块5所采集信号进行补偿处理。交叉耦合补偿主要是校正传感器每两个垂直平面在安装时引起的误差。
由于所述模数转换模块5所采集的信号(即检测信号)存在一定的偏差，因而进行滚转角计算之前，需要将模数转换模块5所采集信号(即检测信号)校正到正确的输出范围，同时补偿处理是数据处理器6能够精确解算出滚转角和滚转角速率信息的前提保障，补偿处理结果准确度越高，解算出的滚转角和滚转角速率信息就越精确。
本实施例中，步骤401中对当前分析处理周期内所述模数转换模块5所采集信号进行滤波处理时，先进行卡尔曼滤波处理，再进行低通滤波处理。
由于所述模数转换模块5所采集的信号(具体是经补偿处理后的信号)中仍包含有噪声干扰成分，在进行解算前要进行滤波处理以消除噪声提取有用信号。滤波处理的主要目的是为了剔除信号中的干扰，提取输入信号中真实有用的信号，滤波器分为很多种，本发明中采样的是卡尔曼滤波和低通滤波器。
并且，实际进行卡尔曼滤波处理时，采用卡尔曼滤波器且按照常规的卡尔曼滤波处理方法进行滤波处理；实际进行低通滤波时，采用低通滤波器且按照常规的低通滤波处理方法进行滤波处理。其中，卡尔曼滤波器在信号处理与***控制领域应用广泛，卡尔曼滤波器功能强大，它可以估计信号的过去和当前状态，甚至能估计将来的状态，即使并不知道模型的确切性质。就是基于卡尔曼滤波器的这种性质，为了弥补MEMS传感器的随机漂移和随机性采用卡尔曼滤波器，能准确估计出当前的准确的MEMS信号。卡尔曼滤波器包括两个过程：预估与校正。其中，预估过程主要是利用时间更新方程建立对当前状态的先验估计，及时向前推算当前状态变量和误差协方差估计的值，以便为下一时间状态构造先验估计值；而校正过程负责反馈，利用测量更新方程在预估计过程的先验估计值及当前测量变量的基础上建立起对当前状态的改进。
所述低通滤波器通过对磁力计1、加速度计2和陀螺仪3所检测信号做频谱分析在不同频点的噪声分布情况，为了抑制高频噪声干扰的情况下，使用低通滤波器率除掉高频噪声信号，保留有用信号做解算用。
本实施例中，步骤402中所述的K＝N。
实际使用时，由于所述磁传感器、加速度计2和陀螺仪3所检测的信号类似正弦波信号，即类似一个周期信号。并且，所述磁传感器、加速度计2和陀螺仪3在被测对象中感受周围环境变化情况下所检测信号的信号特征为近似正弦波信号的特征。
步骤402中进行波峰或波谷识别，可以采用常规的波峰或波谷检测方法进行识别。根据波峰波谷的检测原理，正弦波信号在一个周期(也称信号周期)内只有一个波峰和波谷的特征，便能求解出所述磁传感器和加速度计2所检测信号的周期值，即所述磁传感器和加速度计2的旋转周期。
由于本发明所述滚转角测量单元安装在所述被测对象上并随所述被测对象一起运动，因而通过陀螺仪3能得到被测对象的实时转速，也称角速率或角速度。
本实施例中，步骤一中采用陀螺仪3测量得出所述被测对象的初始角速率w0，初始角速率w0为初始状态下所述被测对象的旋转角速率，并且T0为初始状态下所述被测对象的旋转周期，f0为初始状态下所述被测对象的旋转频率。
根据公式N0＝T0·fc(8)，能计算得出初始状态下一个信号周期的采样点个数N0，这样所述待处理磁场强度离散信号和所述待处理加速度离散信号中的N0个采样点(即连续N0个采样时刻采集的信号)组成一个周期(即一个信号周期)的离散信号。N0个采样点中肯定包含波峰和波谷，当N0为偶数时取采样点作为检测窗口且当N0为奇数时取个采样点作为检测窗口，进行波峰或波谷识别，若检测到波峰位置(或波谷位置)则记录该波峰位置(或波谷位置)采样点的采样时间；将所取检测窗口逐个采样点向后平移，逐步检测直到发现下一个波峰位置(或波谷位置)并记录该波峰位置(或波谷位置)采样点的采样时间。
本实施例中，步骤402中所述待处理磁场强度离散信号和所述待处理加速度离散信号中的K个信号周期均按照采样先后顺序由前至后进行排列；
所述待处理磁场强度离散信号中第k个信号周期的周期值记作Tmk，其中k为正整数且k＝1、2、…、K；
所述待处理加速度离散信号中第k个信号周期的周期值记作Tak；
步骤4033中所述待处理角速率离散信号中第k个信号周期的周期值记作Tgk，其中
本实施例中，步骤402中调用所述波峰识别模块或所述波谷识别模块，由前至后对步骤401中滤波处理后的所述待处理磁场强度离散信号进行波峰或波谷识别后，获得所述待处理磁场强度离散信号的K'个波峰值或K'个波谷值，所述波峰值和所述波谷值均为信号周期判断值且二者均为所述磁场强度值；再根据所述待处理磁场强度离散信号的K'个所述信号周期判断值的采样时间，得出所述待处理磁场强度离散信号的K个信号周期的周期值；其中，Tmk为所述待处理磁场强度离散信号的第k+1个所述信号周期判断值和第k个所述信号周期判断值的采样时间间隔；其中，K'＝K+1；
步骤402中调用所述波峰识别模块或所述波谷识别模块，由前至后对步骤401中滤波处理后的所述待处理加速度离散信号进行波峰或波谷识别后，获得所述待处理加速度离散信号的K'个波峰值或K'个波谷值，所述波峰值和所述波谷值均为信号周期判断值且二者均为所述加速度值；再根据所述待处理加速度离散信号的K'个所述信号周期判断值的采样时间，得出所述待处理加速度离散信号的K个信号周期的周期值；其中，Tak为所述待处理加速度离散信号的第k+1个所述信号周期判断值和第k个所述信号周期判断值的采样时间间隔。
其中，Tmk为所述待处理磁场强度离散信号的第k+1个所述信号周期判断值和第k个所述信号周期判断值的采样时间差值，Tak为所述待处理加速度离散信号的第k+1个所述信号周期判断值和第k个所述信号周期判断值的采样时间差值。
本实施例中，步骤402中所述待处理磁场强度离散信号中第k个信号周期的角速率值记作wmk，其中步骤402中所述待处理加速度离散信号中第k个信号周期的角速率值记作wak，其中
步骤4031中进行离散积分处理时，所述待处理磁场强度离散信号中第k个信号周期内所有采样时刻的角速率值均为wmk；所述待处理加速度离散信号中第k个信号周期内所有采样时刻的角速率值均为wak。其中，wm1、wm2、…、wmK为所述待处理磁场强度离散信号的各信号周期的角速率值，且wm1、wm2、…、wmK组成数列wm，wm表示所述待处理磁场强度离散信号的各信号周期的角速率值；wa1、wa2、…、waK为所述待处理加速度离散信号的各信号周期的角速率值，且wa1、wa2、…、waK组成数列wa，wa表示所述待处理加速度离散信号的各信号周期的角速率值。
本实施例中，相邻两次采样的采样时间间隔为
本实施例中，步骤4031中进行离散积分处理时，按照常规的离散点积分处理方法进行处理。
并且，调用离散积分处理模块对所述待处理磁场强度离散信号中K个信号周期内各采样时刻的角速率值进行积分时，根据公式 进行计算，其中所述待处理磁场强度离散信号中第一个信号周期的第一个采样时刻对应的采样时间记作0，公式(9-1)中t表示采样时间。
调用所述离散积分处理模块对所述待处理加速度离散信号中各采样时刻采集到的角速率值进行积分时，根据公式进行计算，其中所述待处理加速度离散信号中第一个信号周期的第一个采样时刻对应的采样时间记作0，公式(9-2)中t表示采样时间。
调用所述离散积分处理模块对所述待处理角速率离散信号中各采样时刻采集到的角速率值进行积分时，根据公式进行计算，其中所述待处理角速率离散信号中第一个信号周期的第一个采样时刻对应的采样时间记作0，公式(9-3)中t表示采样时间。其中，wg'为陀螺仪3各采样时刻采集到的角速率值。
本实施例中，步骤4032中对所述待处理磁场强度离散信号中K个信号周期的周期值的方差Sm进行计算时，根据公式进行计算；公式(5-1)中，
对所述待处理加速度离散信号中K个信号周期的周期值的方差Sa进行计算时，根据公式进行计算；公式(6-1)中，
对所述待处理角速率离散信号中K个信号周期的周期值的方差Sg进行计算时，根据公式进行计算；公式(6-1)中，
根据所述磁传感器、加速度计2和陀螺仪3的频率特性，由方差特性计算K个周期内的信号稳定性，信号越稳定表明传感器测得的数据越可信，噪声干扰越小，因而根据方差计算权重比值(即权重系数)。由方差的特征可知，方差的值越小表示信号越稳定，计算得出的所述磁传感器、加速度计2和陀螺仪3的方差值(即Sm、Sa和Sg)并取倒数，即可得到各自所占的权重系数(即Um、Ua和Ug)。最后，根据公式 计算得出此时所述被测对象的滚转角θ。
实际使用时，根据公式(4)能计算得出所述被测对象的滚转角θ，通过公式(4)得出的滚转角θ的准确度非常高，实现滚转角度的精确校准。
本实施例中，步骤一中进行被测对象初始角速率测量之前，先选定所述被测对象一个旋转周期中的校准位置；
步骤一中被测对象初始角速率测量后且步骤四中进行信号分析处理之前，待所述被测对象运动至校准位置时，对此时刻进行记录，且该时刻记作tn；同时，采用数据处理器6且按照步骤401和步骤402中所述的方法，对模数转换模块5从时刻tn起连续N0个采样时刻所采集信号进行滤波处理和波峰或波谷识别，并将识别出的N0个采样时刻所采集信号中的波峰值或波谷值的采样时间进行记录，所记录的采样时间记作t'；再根据公式Tn＝t'-tn (11)计算得出Tn；其中，N0根据公式N0＝T0·fc (8)进行计算，然后，根据公式α＝w0·Tn(10)，对被测对象的一个旋转周期中从所述信号周期判断值所处位置运动至0°位置时的时间间隔α进行计算；
步骤402中所述待处理磁场强度离散信号中第k个信号周期内的所述信号周期判断值的采样时间记作tmk；
所述待处理加速度离散信号中第k个信号周期内的所述信号周期判断值的采样时间记作tak；
所述待处理磁场强度离散信号中第k个信号周期内所述信号周期判断值的采样时间经时间α后或所述待处理加速度离散信号中第k个信号周期内所述信号周期判断值的采样时间经时间α后的时刻，为需对所述滚转角测量单元进行校准的校准时刻；将此时所述被测对象的旋转位置与预先确定的校准位置进行对比，得出此时所述滚转角测量单元对被测对象滚转角的测量误差。
但随着时间的累积，传感器的测量会存在误差，误差会随着计算最终引入到滚转角的解算中，时间越长误差越大，偏离的越远，为了消除这种误差，进一步提高测量精度，采取以下的办法，为后续误差消除提供依据：
假设所述被测对象在旋转时，选取的参考平面为地平面，如果选取的0°位置(即滚转角为0°的位置，也称为所述被测对象一个旋转周期的初始位置)是本发明所述滚转角测量单元的一条对称轴与水平面垂直的位置，将所述0°位置作为校准位置。需说明的是：所述滚转角测量单元的对称轴与水平方向任意夹角都可以作为0°位置，如果选取的夹角为0°以外的其它角度时，在使用时标明0°位置与参考位置的关系即可。实际使用时，0°位置也可以是一条过中心点的线，选取的对称轴需要做好标记。一个信号周期中，0°位置的采样时间称为0°时刻。
因而，初始状态下，当所述滚转角测量单元旋转到与参考平面垂直时，标记此时所述被测对象所处的位置为0°位置，此时刻记作tn。
所述待处理磁场强度离散信号中第k个信号周期内所述信号周期判断值的采样时间再经时间α后或所述待处理加速度离散信号中第k个信号周期内所述信号周期判断值的采样时间再经时间α后，此时刻为需对所述滚转角测量单元进行校准的校准时刻。当所述滚转角测量单元不存在误差时，在校准时刻所述被测对象的滚转角(即旋转角)为0°，即此时所述被测对象处于0°位置。但存在误差时，在校准时刻所述被测对象的旋转位置不是0°位置，将此时所述被测对象的旋转位置与预先确定的0°位置进行对比(具体是将此时所述被测对象的旋转角度与预先确定的0°位置的旋转角度进行对比)，则能简便、快速完成所述滚转角测量单元对滚转角的测量误差。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (9)
1.一种滚转角测量方法，其特征在于：采用滚转角测量单元进行滚转角测量，滚转角测量单元包括布设在被测对象上的检测模块、对所述检测模块所检测信号进行采集的模数转换模块(5)和对模数转换模块(5)所采集信号进行分析处理并同步输出被测对象的滚转角与滚转角速率的数据处理器(6)，所述模数转换模块(5)与数据处理器(6)连接；所述检测模块包括对被测对象所处环境的磁场强度进行实时检测的磁传感器、对所述被测对象的加速度进行实时检测的加速度检测单元和对所述被测对象的旋转角速率进行实时检测的角速率检测单元，所述磁传感器、加速度检测单元和角速率检测单元均与模数转换模块(5)连接；
该方法包括以下步骤：
步骤一、被测对象初始角速率测量：滚转角测量之前，采用所述角速率检测单元对所述被测对象的角速率进行测量，得出所述被测对象的初始角速率w0；
步骤二、采样频率与分析处理频率确定：根据步骤一中测量得出的初始角速率w0，对模数转换模块(5)的采样频率fc和数据处理器(6)的分析处理频率fd分别进行确定；
其中，
公式(1)中，N为正整数且N＝5～20；
fc＝m×f0(2)，公式(2)中，m为正整数且m≥3；
步骤三、信号采集及同步传送：采用模数转换模块(5)且按照步骤二中确定的采样频率fc对所述检测模块所检测信号进行采集，并将各采样时刻所采集信号与采样时间同步传送至数据处理器(6)；所述数据处理器(6)对所接收到的模数转换模块(5)各采样时刻所采集信号与采样时间进行同步存储；
所述模数转换模块(5)每一个采样时刻所采集信号均包括该采样时刻采集到的磁场强度值、加速度值和角速率值；
步骤四、信号分析处理：所述数据处理器(6)按照步骤二中确定的分析处理频率fd且按照时间先后顺序，对各分析处理周期内所述模数转换模块(5)所采集信号分别进行分析处理；其中，所述数据处理器(6)对任一个分析处理周期内所述模数转换模块(5)所采集信号进行分析处理时，过程如下：
步骤401、滤波处理：调用滤波处理模块，对当前分析处理周期内所述模数转换模块(5)所采集信号进行滤波处理；
当前分析处理周期内所述模数转换模块(5)所采集信号包括m×N个采样时刻采集到的磁场强度值、加速度值和角速率值；其中，m×N个采样时刻采集到的磁场强度值按照采样时间先后顺序由前至后排列后组成待处理磁场强度离散信号，m×N个采样时刻采集到的加速度值按照采样时间先后顺序由前至后排列后组成待处理加速度离散信号，m×N个采样时刻采集到的角速率值按照采样时间先后顺序由前至后排列后组成待处理角速率离散信号；
本步骤中，对当前分析处理周期内所述模数转换模块(5)所采集信号进行滤波处理时，调用所述滤波处理模块，对所述待处理磁场强度离散信号、所述待处理加速度离散信号和所述待处理角速率离散信号分别进行滤波处理；
步骤402、波峰或波谷识别：调用波峰识别模块或波谷识别模块，由前至后对步骤401中滤波处理后的所述待处理磁场强度离散信号和所述待处理加速度离散信号分别进行波峰或波谷识别，并根据识别结果将所述待处理磁场强度离散信号和所述待处理加速度离散信号分别划分为K个信号周期，并对所述待处理磁场强度离散信号和所述待处理加速度离散信号中K个信号周期的周期值和角速率值分别进行确定；其中，K为正整数；
步骤403、滚转角计算，包括以下步骤：
步骤4031、离散积分处理：根据步骤402中所确定的所述待处理磁场强度离散信号中K个信号周期的角速率值，并结合步骤二中确定的采样频率fc，调用离散积分处理模块对所述待处理磁场强度离散信号中K个信号周期内各采样时刻的角速率值进行积分，得到磁场强度离散信号积分得出的角度值θm；
并且，根据步骤402中所确定的所述待处理加速度离散信号中K个信号周期的角速率值，并结合步骤二中确定的采样频率fc，调用所述离散积分处理模块对所述待处理加速度离散信号中K个信号周期内各采样时刻的角速率值进行积分，得到加速度离散信号积分得出的角度值θa；
同时，根据步骤401中所述待处理角速率离散信号中各采样时刻采集到的角速率值，并结合步骤二中确定的采样频率fc，调用所述离散积分处理模块对所述待处理角速率离散信号中各采样时刻采集到的角速率值进行积分，得到加速度离散信号积分得出的角度值θg；
步骤4032、权重系数确定：先调用方差计算模块，对所述待处理磁场强度离散信号中K个信号周期的周期值的方差Sm和所述待处理加速度离散信号中K个信号周期的周期值的方差Sa分别进行计算；再调用权重系数计算模块且根据公式和计算得出磁场强度权重系数Um和加速度权重系数Ua；
同时，将所述待处理磁场强度离散信号和所述待处理加速度离散信号中K个信号周期的周期值分别进行平均，得出所述待处理角速率离散信号中K个信号周期的周期值；再调用所述方差计算模块计算得出所述待处理角速率离散信号中K个信号周期的周期值的方差Sg，并根据公式 计算得出角速率权重系数Ug；
步骤4033、滚转角计算：调用滚转角计算模块，且根据公式计算得出此时所述被测对象的滚转角θ；
公式(4)中，U＝Um+Ua+Ug (4-1)；
步骤404、分析处理结果输出：调用数据输出模块，输出此时所述被测对象的滚转角θ和角速率wg；其中，wg为所述待处理角速率离散信号中最后一个采样时刻采集到的角速率值；
405、返回步骤401，对下一个分析处理周期内所述模数转换模块(5)所采集信号进行分析处理。
2.按照权利要求1所述的滚转角测量方法，其特征在于：所述被测对象为旋转轴平行于地平面或旋转轴与地平面之间的夹角小于90°的旋转物体。
3.按照权利要求1或2所述的滚转角测量方法，其特征在于：还包括信号调理电路(4)和与数据处理器(6)连接的数据传输接口(7)，所述磁传感器、加速度检测单元和角速率检测单元均经信号调理电路(4)与模数转换模块(5)连接。
4.按照权利要求1或2所述的滚转角测量方法，其特征在于：还包括电源模块(8)，所述磁传感器、加速度检测单元、角速率检测单元、模数转换模块(5)和数据处理器(6)均与电源模块(8)连接；
所述磁传感器为磁力计(1)，所述加速度检测单元为加速度计(2)，所述角速率检测单元为陀螺仪(3)。
5.按照权利要求1所述的滚转角测量方法，其特征在于：步骤401中对当前分析处理周期内所述模数转换模块(5)所采集信号进行滤波处理时，先进行卡尔曼滤波处理，再进行低通滤波处理。
6.按照权利要求1或5所述的滚转角测量方法，其特征在于：步骤401中进行滤波处理之前，先调用信号补偿处理模块，对当前分析处理周期内所述模数转换模块(5)所采集信号进行补偿处理；所述信号补偿处理模块为非线性补偿模块和/或温度补偿模块。
7.按照权利要求1或5所述的滚转角测量方法，其特征在于：步骤402中所述待处理磁场强度离散信号和所述待处理加速度离散信号中的K个信号周期均按照采样先后顺序由前至后进行排列；
所述待处理磁场强度离散信号中第k个信号周期的周期值记作Tmk，其中k为正整数且k＝1、2、…、K；
所述待处理加速度离散信号中第k个信号周期的周期值记作Tak；
步骤4033中所述待处理角速率离散信号中第k个信号周期的周期值记作Tgk，其中
8.按照权利要求1或5所述的方法，其特征在于：步骤402中所述待处理磁场强度离散信号和所述待处理加速度离散信号中的K个信号周期均按照采样先后顺序由前至后进行排列；
所述待处理磁场强度离散信号中第k个信号周期的周期值记作Tmk，其中k为正整数且k＝1、2、…、K；
步骤402中调用所述波峰识别模块或所述波谷识别模块，由前至后对
步骤401中滤波处理后的所述待处理磁场强度离散信号进行波峰或波谷识别后，获得所述待处理磁场强度离散信号的K'个波峰值或K'个波谷值，所述波峰值和所述波谷值均为信号周期判断值且二者均为所述磁场强度值；再根据所述待处理磁场强度离散信号的K'个所述信号周期判断值的采样时间，得出所述待处理磁场强度离散信号的K个信号周期的周期值；其中，Tmk为所述待处理磁场强度离散信号的第k+1个所述信号周期判断值和第k个所述信号周期判断值的采样时间间隔；其中，K'＝K+1；
步骤402中调用所述波峰识别模块或所述波谷识别模块，由前至后对步骤401中滤波处理后的所述待处理加速度离散信号进行波峰或波谷识别后，获得所述待处理加速度离散信号的K'个波峰值或K'个波谷值，所述波峰值和所述波谷值均为信号周期判断值且二者均为所述加速度值；再根据所述待处理加速度离散信号的K'个所述信号周期判断值的采样时间，得出所述待处理加速度离散信号的K个信号周期的周期值；其中，Tak为所述待处理加速度离散信号的第k+1个所述信号周期判断值和第k个所述信号周期判断值的采样时间间隔。
9.按照权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤4032中对所述待处理磁场强度离散信号中K个信号周期的周期值的方差Sm进行计算时，根据公式
进行计算；公式(5-1)中，
对所述待处理加速度离散信号中K个信号周期的周期值的方差Sa进行计算时，根据公式
进行计算；公式(6-1)中，
对所述待处理角速率离散信号中K个信号周期的周期值的方差Sg进行计算时，根据公式
进行计算；公式(6-1)中，
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610313008.2A CN105737793B (zh) | 2016-05-11 | 2016-05-11 | 滚转角测量单元及测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610313008.2A CN105737793B (zh) | 2016-05-11 | 2016-05-11 | 滚转角测量单元及测量方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105737793A CN105737793A (zh) | 2016-07-06 |
| CN105737793B true CN105737793B (zh) | 2018-06-15 |
Family
ID=56288478
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610313008.2A Active CN105737793B (zh) | 2016-05-11 | 2016-05-11 | 滚转角测量单元及测量方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105737793B (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107036576B (zh) * | 2016-11-28 | 2019-09-27 | 南京理工大学 | 基于差商法磁测旋转飞行器滚转角的实时解算方法 |
| CN107314718B (zh) * | 2017-05-31 | 2018-11-13 | 中北大学 | 基于磁测滚转角速率信息的高速旋转弹姿态估计方法 |
| CN112946313B (zh) * | 2021-02-01 | 2022-10-14 | 北京信息科技大学 | 二维弹道脉冲修正弹的滚转角速率的确定方法及装置 |
| CN113977141B (zh) * | 2021-10-26 | 2022-08-09 | 南昌大学 | 一种基于信号特征的送丝速度检测方法 |
| CN117514146B (zh) * | 2024-01-04 | 2024-03-22 | 陕西太合智能钻探有限公司 | 一种测井***及测井方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1664506A (zh) * | 2004-03-05 | 2005-09-07 | 清华大学 | 一种载体姿态测量方法及其*** |
| CN101221044A (zh) * | 2008-01-29 | 2008-07-16 | 北京理工大学 | 大距离光线平行调整的装置与方法 |
| CN101561281A (zh) * | 2009-05-19 | 2009-10-21 | 北京星箭长空测控技术股份有限公司 | 一种捷联磁惯性组合***的工作方法 |
| US7809505B2 (en) * | 2005-11-25 | 2010-10-05 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Geomagnetic sensor and azimuth calculation method thereof |
| US8775118B2 (en) * | 2011-02-01 | 2014-07-08 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Angle detection apparatus |
-
2016
- 2016-05-11 CN CN201610313008.2A patent/CN105737793B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1664506A (zh) * | 2004-03-05 | 2005-09-07 | 清华大学 | 一种载体姿态测量方法及其*** |
| US7809505B2 (en) * | 2005-11-25 | 2010-10-05 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Geomagnetic sensor and azimuth calculation method thereof |
| CN101221044A (zh) * | 2008-01-29 | 2008-07-16 | 北京理工大学 | 大距离光线平行调整的装置与方法 |
| CN101561281A (zh) * | 2009-05-19 | 2009-10-21 | 北京星箭长空测控技术股份有限公司 | 一种捷联磁惯性组合***的工作方法 |
| US8775118B2 (en) * | 2011-02-01 | 2014-07-08 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Angle detection apparatus |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105737793A (zh) | 2016-07-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105737793B (zh) | 滚转角测量单元及测量方法 | |
| CN105698765B (zh) | 双imu单目视觉组合测量非惯性系下目标物位姿方法 | |
| CN102901977B (zh) | 一种飞行器的初始姿态角的确定方法 | |
| CN108036785A (zh) | 一种基于直接法与惯导融合的飞行器位姿估计方法 | |
| CN109541704B (zh) | 一种三轴磁通门航磁测量***及矫正补偿方法 | |
| CN103808331A (zh) | 一种mems三轴陀螺仪误差标定方法 | |
| CN102539107A (zh) | 一种实现风洞试验信号精确同步的方法 | |
| CN105510849A (zh) | 航磁干扰补偿方法 | |
| CN106705894A (zh) | 双圆光栅角位移检测***的误差标定与补偿方法 | |
| CN201242442Y (zh) | 采用分体式结构的飞机磁罗盘校准设备 | |
| CN111650664B (zh) | 一种航空重力梯度仪实时重力梯度解调方法及装置 | |
| CN107132587A (zh) | 航空超导全张量磁梯度测量***安装误差标定方法及装置 | |
| CN109416255A (zh) | 目标物体在空间中定位装置 | |
| CN114001726B (zh) | 一种基于多元温度场的光纤陀螺温度漂移补偿装置及方法 | |
| CN103675927A (zh) | 固定翼航空电磁***接收吊舱摆动角度的校正方法 | |
| CN111912402B (zh) | 基于地磁信息辅助gps的高旋转载体的测姿方法及装置 | |
| CN110736484A (zh) | 基于陀螺仪及磁传感器融合的背景磁场标定方法 | |
| CN110530324A (zh) | 一种模块化建筑模块单元变形性能检测方法 | |
| CN102306054B (zh) | 姿态感知设备及其定位、鼠标指针的控制方法和装置 | |
| CN110017808A (zh) | 利用地磁信息和加速计解算飞行器姿态的方法 | |
| CN109781138A (zh) | 一种基于浮空平台的风速风向测量方法及装置 | |
| CN107036576B (zh) | 基于差商法磁测旋转飞行器滚转角的实时解算方法 | |
| CN105180946B (zh) | 基于宽频测量的卫星高精度姿态确定方法及*** | |
| CN109443333B (zh) | 一种陀螺阵列反馈加权融合方法 | |
| CN107101693B (zh) | 非稳态液面多传感器加权系数动态分配方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Rolling angle measuring unit and measuring method Effective date of registration: 20211105 Granted publication date: 20180615 Pledgee: Industrial Bank Limited by Share Ltd. Xi'an branch Pledgor: Xi'an Chinastar M & C Ltd. Registration number: Y2021980011955 |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20221118 Granted publication date: 20180615 Pledgee: Industrial Bank Limited by Share Ltd. Xi'an branch Pledgor: Xi'an Chinastar M & C Ltd. Registration number: Y2021980011955 |
|
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Rolling angle measuring unit and measuring method Effective date of registration: 20221122 Granted publication date: 20180615 Pledgee: Industrial Bank Limited by Share Ltd. Xi'an branch Pledgor: Xi'an Chinastar M & C Ltd. Registration number: Y2022980022806 |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20231115 Granted publication date: 20180615 Pledgee: Industrial Bank Limited by Share Ltd. Xi'an branch Pledgor: Xi'an Chinastar M & C Ltd. Registration number: Y2022980022806 |
|
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Rolling angle measurement unit and measurement method Effective date of registration: 20231120 Granted publication date: 20180615 Pledgee: Industrial Bank Limited by Share Ltd. Xi'an branch Pledgor: Xi'an Chinastar M & C Ltd. Registration number: Y2023610000733 |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |