CN111398634A - 一种悬浮/导向传感器加速度信号的校准方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬浮/导向传感器加速度信号的校准方法及装置，所述方法及装置通过三轴陀螺仪采集的角度值来实时校准三轴加速度计的角度，实现对三轴加速度计所采集的加速度信号的校准，能够大大地减小加速度信号中的原有噪声，提高了加速度信号的输出精度，降低了悬浮控制器后续的信号处理难度，有利于保障磁浮列车的稳定运行；该方法中，三轴加速度计和三轴陀螺仪的数据采集同步，再在数据处理模块中进行处理而得到校准后的加速度信号，无需实时跟随，且校准处理过程相对简单，计算量小，计算速度快。

Description

一种悬浮/导向传感器加速度信号的校准方法及装置

技术领域

本发明属于磁浮列车悬浮控制领域，尤其涉及一种通过三轴陀螺仪与FPGA滤波校准悬浮/导向传感器输出加速度信号的方法及装置。

背景技术

近年来磁浮技术在国内得到了迅速地发展，同时商业运营线也在逐渐地增多。其中，悬浮/导向传感器作为其重要零部件，对悬浮控制程序的可靠运行，起到了尤为关键的作用。低速磁浮领域，以长沙磁浮为例，主要采用悬浮传感器，而导向为被动型导向，并不需要导向传感器。而中高速磁浮领域，以上海高速磁浮为例，悬浮、导向都需对应的悬浮、导向传感器来传输相应的信号。悬浮/导向传感器一般包括三轴加速度计和间隙传感器，三轴加速度计作为悬浮/导向传感器的主要组成部分之一，对磁浮列车的稳定运行影响巨大。目前磁浮列车的悬浮/导向传感器主要是三轴加速度计采集加速度信号，再将加速度信号直接输入悬浮控制器中进行处理。以悬浮传感器为例，由于悬浮传感器初始安装的误差以及磁浮列车运行过程中由于轨缝、机械构件的安装误差等，电磁铁会发生姿态角度的变化，这就导致三轴加速度计会受到除垂直方向(Z轴)外的另外两轴(X、Y轴)的影响，使三轴加速度计单轴的输出信号并非单一某轴上的加速度信号，而是受到了其他两轴的信号干扰，导致最终输出的信号噪声很大，提高了悬浮控制器后续信号处理的难度，不利于控制程序的稳定运行。

目前主要是通过悬浮控制器的后期处理来解决三轴加速度计输出的加速度信号噪声大的问题。如果对悬浮/导向传感器的信号做前期处理，可以得到更为准确的各个方向或轴上的加速度信号，增强对外界的抗干扰能力，减弱传感器信号的噪声，提高悬浮控制程序的稳定性。对于单独的三轴加速度计干扰信号的处理一般采用卡尔曼滤波，但卡尔曼滤波需要实时跟随，导致所需要的数据量大，同时实时计算的速度慢。而悬浮/导向传感器目前采用的硬件电路需要同时对几路三轴加速度计和几路间隙信号进行处理，考虑到成本、处理时间等问题，一般的卡尔曼滤波不适用于悬浮/导向传感器的前期滤波处理，不利于工程化的实现。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种悬浮/导向传感器加速度信号的校准方法及装置，以解决悬浮控制器因信号噪声大导致处理困难的问题，以及卡尔曼滤波进行信号前期处理时数据量大，处理速度慢的问题。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种悬浮/导向传感器加速度信号的校准方法，包括以下步骤：

步骤1：将三轴陀螺仪与悬浮/导向传感器中的三轴加速度计安装在同一水平面上，获取三轴加速度计和三轴陀螺仪的采集数据；

步骤2：分别对所述步骤1中三轴加速度计和三轴陀螺仪的采集数据进行处理得到处理后的加速度值和角度变化率；

步骤3：根据所述步骤2中处理后的加速度值得到三轴加速度计在上一时刻和当前时刻的角度，根据上一时刻和当前时刻的角度得到一时间段内的角度差；所述时间段为当前时刻与上一时刻的差；

步骤4：根据所述步骤2中处理后的角度变化率、所述步骤3中的上一时刻和当前时刻得到三轴陀螺仪在所述时间段内的角度变化值；

步骤5：根据所述时间段内的角度差和角度变化值得到角度补偿值；

步骤6：将所述步骤5中的角度补偿值与所述步骤3中三轴加速度计在上一时刻的角度叠加得到三轴加速度计在当前时刻校准后的角度，根据校准后的角度得到三轴加速度计在当前时刻校准后的加速度信号。

本发明所述方法，在悬浮/导向传感器中的三轴加速度计所采集的加速度信号发送给悬浮控制器之前，通过三轴陀螺仪和数据处理模块对三轴加速度计的角度进行校准，从而实现对三轴加速度计所采集的加速度信号的校准；悬浮/导向传感器中的三轴加速度计在磁浮列车上应用时，由于三轴加速度计的灵敏度过高，导致动态倾角的检测不准确，单轴输出信号易受到其他轴的影响，从而导致三轴加速度计输出的加速度信号噪声大，而三轴陀螺仪的固有属性决定了三轴陀螺仪采集的角度信息基本不受其他轴影响，因此，将三轴陀螺仪与三轴加速度计设在同一水平面上，采用三轴陀螺仪的角度值来校准三轴加速度计的角度，从而校准三轴加速度计的加速度信号，能够大大地减小加速度信号中的原有噪声，提高了加速度信号的输出精度，降低了悬浮控制器后续的信号处理难度，有利于保障磁浮列车的稳定运行；该方法中，三轴加速度计和三轴陀螺仪的数据采集同步，再在数据处理模块中进行处理而得到校准后的加速度信号，无需实时跟随，且校准处理过程相对简单，计算量小，计算速度快。

进一步地，所述步骤2中，采用ADC模块分别对三轴加速度计和三轴陀螺仪的采集数据进行数字化处理，处理后的加速度值和角度变化率为：

其中，R为X、Y或Z轴，

为三轴加速度计某个轴在时刻t的加速度值或三轴陀螺仪某个轴在时刻t的角度变化率，

为ADC模块在时刻t输出的数值，V_ref为ADC模块的参考电压，n为ADC模块的位数，VG_zero为零加速度电压值，S为三轴加速度计或三轴陀螺仪的灵敏度。

进一步地，所述步骤3中，三轴加速度计在某个时刻的角度为：

其中，

分别为三轴加速度计的X、Y、Z轴在时刻t的加速度，

为三轴加速度计某个轴在时刻t的加速度值，R为X、Y或Z轴，

为三轴加速度计某个轴在时刻t的角度；

三轴加速度计在一时间段内的角度差为：

其中，

为三轴加速度计的某个轴在时间段T内的角度差，T(k)为当前时刻，T(k-1) 为上一时刻，

分别为三轴加速度计的某个轴在当前时刻、上一时刻的角度。

进一步地，所述步骤4中，三轴陀螺仪在所述时间段内的角度变化值为：

其中，

为三轴陀螺仪的某个轴在时间段T内的角度变化值，

为三轴陀螺仪某个轴在时刻t的角度变化率，T(k)为当前时刻，T(k-1)为上一时刻。

进一步地，所述步骤5中，将时间段T内的角度差和角度变化值进行互补滤波，得到角度补偿值，所述角度补偿值为：

其中，△θ为角度补偿值，

为三轴加速度计的某个轴在时间段T内的角度差，ρ为噪声系数，

为三轴陀螺仪的某个轴在时间段T内的角度变化值。

进一步地，噪声系数ρ的取值为5～20。

本发明还提供一种悬浮/导向传感器加速度信号的校准装置，包括：三轴陀螺仪、ADC 模块以及数据处理模块；所述三轴陀螺仪与悬浮/导向传感器中的三轴加速度计安装在同一水平面上；

所述三轴陀螺仪，用于将三轴加速度计的实时物理姿态通过角度传输给ADC模块；

所述ADC模块，用于将三轴加速度计和三轴陀螺仪采集的信号数字化处理后再传输给数据处理模块；

所述数据处理模块，用于对数字化处理后的三轴加速度计的信号进行处理得到三轴加速度计在不同时刻的角度和某时间段内的角度差，对数字化处理后的三轴陀螺仪的信号进行处理得到三轴陀螺仪在某时间段内的角度变化值；还用于将所述角度差和角度变化值进行互补滤波得到角度补偿值，且将角度补偿值与三轴加速度计的角度叠加、转换得到校准后的加速度信号。

有益效果

与现有技术相比，本发明提供的一种悬浮/导向传感器加速度信号的校准方法及装置，通过三轴陀螺仪采集的角度值来实时校准三轴加速度计的角度，实现对三轴加速度计所采集的加速度信号的校准，能够大大地减小加速度信号中的原有噪声，提高了加速度信号的输出精度，降低了悬浮控制器后续的信号处理难度，有利于保障磁浮列车的稳定运行；该方法中，三轴加速度计和三轴陀螺仪的数据采集同步，再在数据处理模块中进行处理而得到校准后的加速度信号，无需实时跟随，且校准处理过程相对简单，计算量小，计算速度快；该装置采用ADC模块和数据处理模块来完成校准处理，校准处理过程可以通过计算机程序来完成，编程简单，处理速度快，便于工程化的实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中一种悬浮/导向传感器加速度信号的校准方法的流程图；

图2是本发明实施例中三轴加速度计的角度计算示意图；

图3是本发明实施例中三轴陀螺仪的角度计算示意图；

图4是本发明实施例中一种悬浮/导向传感器加速度信号的校准装置的结构框图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的校准方法是针对三轴加速度计其他轴信号干扰导致加速度输出信号噪声大的问题，如图1所示，本发明所提供的一种悬浮/导向传感器加速度信号的校准方法，包括以下步骤：

1、将三轴陀螺仪与悬浮/导向传感器中的三轴加速度计安装在同一水平面上，获取三轴加速度计和三轴陀螺仪的采集数据。

三轴加速度计主要有电压型输出和电荷型输出两种，电荷型输出无法响应0～0.5Hz频率，因此，本实施例中，三轴加速度计选取电压型输出三轴加速度计，电压型输出三轴加速度计主要是通过F＝m*a来计算加速度的值。

悬浮/导向传感器中的三轴加速度计在磁浮列车上应用，由于三轴加速度计的灵敏度过高，导致动态倾角的检测不准确(姿态角度变化大)，单轴(例如Z轴)输出加速度信号易受到其他轴(X/Y轴)的影响，导致三轴加速度计输出的加速度信号噪声大；而三轴陀螺仪本身是用于角度检测，基于三轴陀螺仪的固有特性，其采集的角度信息基本不会受到其他轴的影响，因此，将三轴陀螺仪与三轴加速度计安装在同一水平面上，通过三轴陀螺仪采集的角度值来实时校准三轴加速度计的角度，从而达到校准三轴加速度计加速度的目的。

2、分别对三轴加速度计和三轴陀螺仪的采集数据进行处理得到处理后的加速度和角度变化率。

采用ADC模块对三轴加速度计和三轴陀螺仪的采集数据进行数字化处理，三轴加速度计和三轴陀螺仪采集的数据同时输入至ADC模块内，数字化处理后的加速度和角度变化率为：

其中，R为X、Y或Z轴，

为三轴加速度计某个轴在时刻t的加速度或三轴陀螺仪某个轴在时刻t的角度变化率，

为ADC模块在时刻t输出的数值，V_ref为ADC模块的参考电压，n为ADC模块的位数，VG_zero为零加速度电压值(三轴加速度计或三轴陀螺仪的数据手册可查询)，S为三轴加速度计或三轴陀螺仪的灵敏度。

以三轴加速度计的Z轴为例，则数字化处理后三轴加速度计Z轴输出加速度为：

G_Z＝(VG_Z×V_ref/(2ⁿ-1)-VG_zero)/S (2)

3、根据步骤2中处理后的加速度得到三轴加速度计在上一时刻和当前时刻的角度，根据上一时刻和当前时刻的角度得到一时间段内的角度差；时间段为当前时刻与上一时刻的差。

三轴加速度计在某个时刻的角度为：

其中，

G_x、G_y、G_z分别为三轴加速度计的X、Y、Z轴在时刻t的加速度，

为三轴加速度计某个轴在时刻t的角度。本实施例中，三轴加速度计Z 轴在时刻t的角度是指三轴加速度计Z轴在时刻t偏离原始坐标系的角度，原始坐标系为三维直角坐标系。

如图2所示，三轴加速度计在一时间段内的角度差为：

其中，

为三轴加速度计的某个轴在时间段T内的角度差(表示三轴加速度计某个轴经过时间段T后的角度变化)，T(k)为当前时刻，T(k-1)为上一时刻，

分别为三轴加速度计的某个轴在当前时刻、上一时刻的角度，时间段T＝T(k)-T(k-1)。

4、根据步骤2中处理后的角度变化率、步骤3中的上一时刻和当前时刻得到三轴陀螺仪在时间段内的角度变化值。

如图3所示，三轴陀螺仪在时间段T内的角度变化值为：

其中，

为三轴陀螺仪的某个轴在时间段T内的角度变化值，

为三轴陀螺仪某个轴在时刻t的角度变化率。如图3所示，以三轴陀螺仪的Z轴为例，

为三轴陀螺仪Z轴在T(k-1)时刻的角度，θ^T(k)为三轴陀螺仪Z轴在T(k)时刻的角度。

5、根据时间段内的角度差和角度变化值得到角度补偿值。

将时间段T内的角度差

和角度变化值

进行互补滤波，得到角度补偿值，角度补偿值为：

其中，△θ为角度补偿值，ρ为噪声系数，ρ根据检测到的三轴加速度计的信号噪声来确定，一般取值为5～20，具体确定方法为：通过示波器观察校准后的加速度信号波形，当信号噪声下降至能接受的范围或符合需求(一般信噪比为50％或更低)，表明该噪声系数符合要求，否则更换噪声系数后重新观察，直到达到需求为止。

6、将步骤5中的角度补偿值与步骤3中三轴加速度计在上一时刻的角度叠加得到三轴加速度计在当前时刻校准后的角度，根据校准后的角度得到三轴加速度计在当前时刻校准后的加速度信号，再将校准后的加速度信号发送给悬浮控制器进行处理，加快了悬浮控制器的处理速度，提高了悬浮控制的稳定性。

三轴加速度计某个轴在当前时刻校准后的的角度

再根据公式(3)反推出三轴加速度计校准后的加速度信号，校准后的加速度的计算公式为

本发明的校准方法，通过三轴陀螺仪采集的角度值来实时校准三轴加速度计的角度，实现对三轴加速度计所采集的加速度信号的校准，能够大大地减小加速度信号中的原有噪声，提高了加速度信号的输出精度，降低了悬浮控制器后续的信号处理难度，有利于保障磁浮列车的稳定运行；该方法中，三轴加速度计和三轴陀螺仪的数据采集同步，再在数据处理模块中进行处理而得到校准后的加速度信号，无需实时跟随，且校准处理过程相对简单，计算量小，计算速度快。

如图4所示，本发明还提供一种悬浮/导向传感器加速度信号的校准装置，包括：三轴陀螺仪、ADC模块以及数据处理模块；所述三轴陀螺仪与悬浮/导向传感器中的三轴加速度计安装在同一水平面上；

所述三轴陀螺仪，用于将三轴加速度计的实时物理姿态通过角度传输给ADC模块；

所述ADC模块，用于将三轴加速度计和三轴陀螺仪采集的信号数字化处理后再传输给数据处理模块；

所述数据处理模块，用于对数字化处理后的三轴加速度计的信号进行处理得到三轴加速度计在不同时刻的角度和某时间段内的角度差，对数字化处理后的三轴陀螺仪的信号进行处理得到三轴陀螺仪在某时间段内的角度变化值；还用于将所述角度差和角度变化值进行互补滤波得到角度补偿值，且将角度补偿值与三轴加速度计的角度叠加、转换得到校准后的加速度信号。

本实施例中，数据处理模块选用FPGA模块。该装置采用ADC模块和数据处理模块来完成校准处理，校准处理过程可以通过计算机程序来完成，编程简单，处理速度快，便于工程化的实现。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种悬浮/导向传感器加速度信号的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将三轴陀螺仪与悬浮/导向传感器中的三轴加速度计安装在同一水平面上，获取三轴加速度计和三轴陀螺仪的采集数据；

步骤2：分别对所述步骤1中三轴加速度计和三轴陀螺仪的采集数据进行处理得到处理后的加速度值和角度变化率；

步骤3：根据所述步骤2中处理后的加速度值得到三轴加速度计在上一时刻和当前时刻的角度，根据上一时刻和当前时刻的角度得到一时间段内的角度差；所述时间段为当前时刻与上一时刻的差；

步骤4：根据所述步骤2中处理后的角度变化率、所述步骤3中的上一时刻和当前时刻得到三轴陀螺仪在所述时间段内的角度变化值；

步骤5：根据所述时间段内的角度差和角度变化值得到角度补偿值；

步骤6：将所述步骤5中的角度补偿值与所述步骤3中三轴加速度计在上一时刻的角度叠加得到三轴加速度计在当前时刻校准后的角度，根据校准后的角度得到三轴加速度计在当前时刻校准后的加速度信号。

2.如权利要求1所述的校准方法，其特征在于：所述步骤2中，采用ADC模块分别对三轴加速度计和三轴陀螺仪的采集数据进行数字化处理，处理后的加速度值和角度变化率为：

其中，R为X、Y或Z轴，

为三轴加速度计某个轴在时刻t的加速度值或三轴陀螺仪某个轴在时刻t的角度变化率，

为ADC模块在时刻t输出的数值，V_ref为ADC模块的参考电压，n为ADC模块的位数，VG_zero为零加速度电压值，S为三轴加速度计或三轴陀螺仪的灵敏度。

3.如权利要求1或2所述的校准方法，其特征在于：所述步骤3中，三轴加速度计在某个时刻的角度为：

其中，

分别为三轴加速度计的X、Y、Z轴在时刻t的加速度，

为三轴加速度计某个轴在时刻t的加速度值，R为X、Y或Z轴，

为三轴加速度计某个轴在时刻t的角度；

三轴加速度计在一时间段内的角度差为：

其中，

为三轴加速度计的某个轴在时间段T内的角度差，T(k)为当前时刻，T(k-1)为上一时刻，

分别为三轴加速度计的某个轴在当前时刻、上一时刻的角度。

4.如权利要求1或2所述的校准方法，其特征在于：所述步骤4中，三轴陀螺仪在所述时间段内的角度变化值为：

其中，

为三轴陀螺仪的某个轴在时间段T内的角度变化值，

为三轴陀螺仪某个轴在时刻t的角度变化率，T(k)为当前时刻，T(k-1)为上一时刻。

5.如权利要求1所述的校准方法，其特征在于：所述步骤5中，将时间段T内的角度差和角度变化值进行互补滤波，得到角度补偿值，所述角度补偿值为：

其中，△θ为角度补偿值，

为三轴加速度计的某个轴在时间段T内的角度差，ρ为噪声系数，

为三轴陀螺仪的某个轴在时间段T内的角度变化值。

6.如权利要求5所述的校准方法，其特征在于：所述噪声系数ρ的取值为5～20。

7.一种悬浮/导向传感器加速度信号的校准装置，其特征在于，包括：三轴陀螺仪、ADC模块以及数据处理模块；所述三轴陀螺仪与悬浮/导向传感器中的三轴加速度计安装在同一水平面上；

所述三轴陀螺仪，用于将三轴加速度计的实时物理姿态通过角度传输给ADC模块；

所述ADC模块，用于将三轴加速度计和三轴陀螺仪采集的信号数字化处理后再传输给数据处理模块；

所述数据处理模块，用于对数字化处理后的三轴加速度计的信号进行处理得到三轴加速度计在不同时刻的角度和某时间段内的角度差，对数字化处理后的三轴陀螺仪的信号进行处理得到三轴陀螺仪在某时间段内的角度变化值；还用于将所述角度差和角度变化值进行互补滤波得到角度补偿值，且将角度补偿值与三轴加速度计的角度叠加、转换得到校准后的加速度信号。

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