CN112414355B - 一种基于象限标定模型的角度传感器检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于象限标定模型的角度传感器检测方法，包括：基于选取的标定点对角度传感器进行标定，获得各标定点对应的标定参数，所述标定点包括区分四个象限的标定点和每个象限内至少一个标定点；获取加速度芯片采集的加速度变量原始值；根据标定参数和加速度原始值，计算得出角度值。本发明能够使角度精度大幅提高，并能够一定程度上抑制现场振动对加速度计的影响，大大提高了移动机械姿态计算的精度。

Description

一种基于象限标定模型的角度传感器检测方法

技术领域

本发明涉及角度传感器计算技术领域，具体涉及一种基于象限标定模型的角度传感器检测方法。

背景技术

目前工程机械车辆逐渐从机械-液压***向电子-液压***转变，特别是CANBus总线的广泛应用为工程机械产品的更新换代提供好很好的技术平台。为了实现对车体本身和执行机构的姿态进行测量，对车辆动作进行保护控制，都需要角度传感器参与其中。

但是工程机械车辆一般使用在环境恶劣的地方，工作时还带有强烈的振动，传统的机械式角度传感器测量精度低，对于外界的抗干扰能力弱，而且体积较大，不易于在工程机械车辆上安装，随着使用年限的增加，故障率也会逐年提升，已经逐渐的不能满足现场环境的使用。因此，现在急需一种精度高、尺寸小、稳定性好的角度传感器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出了一种基于象限标定模型的角度传感器检测方法，基于象限标定模型来计算角度值，可以实现高精度、高稳定性的角度传感器。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于象限标定模型的角度传感器检测方法，包括：

基于选取的标定点对角度传感器进行标定，获得各标定点对应的标定参数，所述标定点包括区分四个象限的标定点和每个象限内至少一个标定点；

获取加速度芯片采集的加速度变量原始值；

根据标定参数和加速度原始值，计算得出角度值。

进一步的，所述标定点分别为0、90、180、270、45、135、225、315角度值。

进一步的，所述根据标定参数和加速度原始值，计算得出角度值，包括：

(1)当ady<＝offset_y1且adx<offset_x1时，角度值计算公式为：

angle＝((offset_y1-ady)/(offset_x1-adx))*(1.01+(sensitive1/1000.00)-((2100-adx)/80000.00))

(2)当ady<offset_y2且adx>offset_x1时，角度值计算公式为：

angle＝((offset_y2-ady+0.00)/(adx-offset_x1))*(1.01+(sensitive2/1000.00)+((adx-2000)/80000.00))

(3)当ady>＝offset_y2且adx>offset_x2时，角度值计算公式为：

angle＝((ady-offset_y2+0.00)/(adx-offset_x2))*(1.01+(sensitive3/1000.00)-((ady-2000)/70000.00))

(4)当ady>offset_y1且adx<offset_x2时，角度值计算公式为：

angle＝((ady-offset_y1+0.00)/(offset_x2-adx))*(1.01+(sensitive4/1000.00)-((ady-2000)/70000.00))

其中，adx为x轴方向加速度值，ady为y轴方向实时加速度值，offset_x1为90标定点的标定参数，offset_x2为270标定点的标定参数，offset_y1为0标定点的标定参数，offset_y2为180标定点的标定参数，angle为角度的弧度值，sensitive1为45标定点的标定参数，sensitive2为135标定点的标定参数，sensitive3为225标定点的标定参数，sensitive4为315标定点的标定参数。

进一步的，计算得出角度值之后，还包括：将角度值扩大若干倍后输出。

进一步的，若干倍为20倍。

进一步的，还包括根据角度传感器左置、右置判断条件，确定角度传感器的使用区间。

进一步的，所述根据角度传感器左置、右置判断条件，确定角度传感器的使用区间包括：

如果是左置，则使用的是270-360度角度区间。如果是右置，则使用的0-90度角度区间。

进一步的，还包括对角度输出值进行滤波。

进一步的，所述滤波的公式为：

tts_log_cal＝(tts_cal+tts_old*(filter_Value_cal-1))/filter_Value_cal

其中，tts_cal为角度输出值，tts_old为上一次滤波值，filter_Value_cal为滤波因子，tts_log_cal为经滤波后的实时值。

进一步的，还包括：如果判断角度在一定时间内持续上升或下降，则调整滤波因子大小。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明能够使角度精度大幅提高，并能够一定程度上抑制现场振动对加速度计的影响，大大提高了移动机械姿态计算的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有描述中所需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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动力的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明专利的描述中，需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。

在本发明专利的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明专利的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明专利中的具体含义。

本发明的技术构思为：角度传感器在使用和计算之前，需要对角度传感器进行标定工作。标定需要将角度传感器用工装固定在角度测试台上。使用标定上位机在不同的角度下对角度传感器进行标定。标定完成后的角度传感器会根据标定参数选择不同的计算公式，对原始角度进行转化计算，计算得到角度值，精度高。角度值通过滤波后通过CAN发出，用以测量车身或执行机构的角度变化情况。

本发明的一种基于象限标定模型的角度传感器检测方法，对加速度计输出的原始数据，进行了不同象限的转化和修正计算，计算得到的角度值精度高，稳定性好，能够准确的用以测量车身或者执行机构的角度变化情况。

参见图1所示，包括以下过程：

步骤一：基于选取的标定点对角度传感器进行标定，获得各标定点对应的标定参数，所述标定点包括区分四个象限的标定点和每个象限内至少一个标定点。

标定的参照物是角度测试台，角度测试台可以转动到指定角度。在角度台上对角度传感器进行标定工作获得标定值参数。

本发明实施例中，选取的标定点分别为0、90、180、270、45、135、225、315，这些数值是指角度测试台转动的指定角度值。这些数值中，0、90、180、270是区分四个不同象限的标定点，即在角度旋转一周360°时，以这4个点可以将一周角度区分为4个象限。45、135、225、315主要是保证在一个象限内的线性度修正的标定点，用来保证角度转化计算时的精度。

这标定点8个值必须选取的是0、90、180、270，因为这4个点是区分象限的基础。45、135、225、315这4个点是保证一个象限内的线性度修正，是这个象限内的中值点，这些点是最有效调整误差的点，也可以选取其他角度的标定点，也可以在这8个点的基础上增加修正标定点的个数。

根据选取的8个标定点对角度传感器进行标定，角度测试台转动到8个指定角度，然后分别在每个角度下发送标定命令，在指定的标准角度下存储角度参数(以角度台为零点位置，水平方向是x轴，竖直方向是y轴)，这个角度参数(即标定参数)是指用以公式内的常数参数用于后续的计算。

角度传感器内部实际是个重物，然后周围充的惰性气体，这就决定了角度传感器在转动的过程中，能够检测重力加速度在x,y轴两个方向的变化。因此，在角度旋转360°的过程中，角度传感器有两路输出，分别为两轴方向的投影，两轴是指x,y轴，把重力加速度分解在x,y轴上，所以一路为sin变化，一路为cos变化。在数值不断变化的过程中，在一个象限的中值点，是两条曲线交汇的地方，这个主要是为了在把原始数据转到角度时能够提高些精度。因为随着角度传感器转动，重力加速度在x,y轴的投影的变化趋势是不一样的。以0-90°为例，sin变化趋势的投影的原始值是由小变大的，而cos变化趋势的投影的原始值是由大变小的，我们尽可能的选择两条曲线值较大部分来计算，这样可以得到更高的精度，可以更精确的得到角度值。

步骤二：从加速度芯片上获取加速度变量原始值。

此加速度芯片是设置在角度传感器上，加速度芯片为现有技术中现有的型号是SCA100T-DO2芯片。加速度芯片是主板上的一个元器件，加速度芯片能够在转动的过程中，根据重力加速度在x,y轴投影不同，检测到设备角度变化的情况，为角度传感器的计算提供外部变化的原始值。

加速度芯片可以判断不同角度倾斜的位置，根据倾斜角度不同，会输出重力加速度在两个轴上的的原始量。原始量在0-360°范围内转动时，一路为sin曲线变化，另一路为cos曲线变化。

此加速度值是角度计算的原始值，是角度计算的依据，角度计算的过程中是通过原始值加标定参数统一计算，得到的最终的结果。

在获取原始值时，不对数据进行均值等方式的滤波，主要是保证采样的实时性，因为会影响后续的转化公式的不同。如果在获取原始值的时候，增加了均值滤波的算法，会导致在转动过程中原始值变化速度较慢。这样在临界点切换不同象限公式的时候，就会出现滞后。由于角度变化的滞后，导致了使用不同公式对原始值进行了转换，使用了不同的公式。

加速度芯片输出的是模拟量信号，在加速度分量变化的过程中，模拟量会发生变化。在采样的过程中，需要等待CPU进行采样处理，如果超过20ms还未获取，则认为本次采样超时，不在等待，抛弃本次采样结果的处理。采用超时处理主要是为了在CPU处理不正常时的异常处理。

步骤三：根据加速度原始值处于的不同象限，使用不同公式对加速度原始值进行计算得出角度值。

在计算之前，两轴加速度的值会与标定时0、90、180、270标定点的标定参数进行比较，来确认使用哪一个公式进行计算。使用不同公式对加速度原始值进行计算得出角度值。根据公式得到的是角度弧度值，使用反正切函数即可得到角度值。

下面定义各变量代表的含义：

adx---x轴方向加速度值

ady---y轴方向实时加速度值

offset_x1---90标定点的标定参数

offset_x2---270标定点的标定参数

offset_y1---0标定点的标定参数

offset_y2---180标定点的标定参数

angle---角度的弧度值

sensitive1---45标定点的标定参数

sensitive2---135标定点的标定参数

sensitive3---225标定点的标定参数

sensitive4---315标定点的标定参数

公式是有原始数据补偿拟合计算所得。

(1)当ady<＝offset_y1且adx<offset_x1时，表明角度台的转动角度在第一象限，因此角度值对应的计算公式为：

angle＝((offset_y1-ady)/(offset_x1-adx))*(1.01+(sensitive1/1000.00)-((2100-adx)/80000.00))

(2)当ady<offset_y2且adx>offset_x1时，表明处于第二象限，角度值计算公式为：

angle＝((offset_y2-ady+0.00)/(adx-offset_x1))*(1.01+(sensitive2/1000.00)+((adx-2000)/80000.00))

(3)当ady>＝offset_y2且adx>offset_x2时，表明处于第三象限，角度值计算公式为：

angle＝((ady-offset_y2+0.00)/(adx-offset_x2))*(1.01+(sensitive3/1000.00)-((ady-2000)/70000.00))

(4)当ady>offset_y1且adx<offset_x2时，表明处于第四象限，角度值计算公式为：

angle＝((ady-offset_y1+0.00)/(offset_x2-adx))*(1.01+(sensitive4/1000.00)-((ady-2000)/70000.00))

步骤四：角度输出值扩大若干倍，

扩大一定倍数的计算是进行对外通讯传输时减小精度损失的一种方式。因为在传输过程中只能传输整数数据，具有小数部分的数据如果不放大倍数，则就只能舍弃。如果扩大一定的倍数，则可以以更大的整数来表示，用以增加角度转化精度。

此处的扩大倍数是产品输出精度要求决定的。根据现场实际情况决定。本发明中扩大20倍，

步骤五：根据角度传感器左置、右置判断条件，确定角度传感器的角度使用区间。

角度传感器使用时的安装位置，若角度传感器位于安装设备的左侧，则认为是左置，若角度传感器位于安装设备的右侧，则认为是右置。提前将左置或者右置写入主板，在进行角度计算时根据存储的左置或者右置参数判断使用公式。

之前算的是0-360度全范围内的角度，实际使用时可以根据不同传感器确定使用区间，比如只是0-90度传感器，那么就只使用其中一段数据。根据左置右置设置不同，计算得到的角度的使用是不同的。如果是左置，则使用的是270-360度角度区间。如果是右置，则使用的0-90度角度区间。这个主要阐述的是90度传感器的情况。这个对外输出角度就是指外部的实际角度了。

步骤六：对角度输出值进行滤波，滤波的目的是为了减小现场振动对角度变化带来的影响。计算滤波前，应进行异常值的判断处理。

tts_cal---上述计算的角度输出值

tts_old---上一次滤波值

filter_Value_cal---滤波因子

tts_log_cal---经滤波后的实时值

tts_log_cal＝(tts_cal+tts_old*(filter_Value_cal-1))/filter_Value_cal

步骤七：如果判断角度在一定时间内持续上升或下降，应主动调整滤波因子大小。

这个时间目前是100ms，10个采样循环。持续上升和持续下降为角度在连续10个采样循环下持续的正向增加，或者持续的正向减小。

在发生持续变化的情况下，为了抑制这种变化的趋势，主要是调大滤波因子。

这种控制手段是对外部振动的抑制，防止在振动条件下角度传感器角度一直跳动不停止。减少低频振动对角度传感器的影响。

综上所述，本发明通过加速度芯片获得原始值，通过角度测试台的标定获得线性补偿的计算参数(指前面的标定参数)，在不同象限中使用不同的计算公式，得到角度的原始值。原始值在经过滤波以后才可以使用，滤波主要是消除现场车身振动对角度传感器的影响。本发明能够提供一种角度传感器检测算法，能够得到一款精度高、稳定性好的电子角度传感器，符合现有移动机械车辆的使用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于象限标定模型的角度传感器检测方法，其特征是，包括：

基于选取的标定点对角度传感器进行标定，获得各标定点对应的标定参数，所述标定点包括区分四个象限的标定点和每个象限内至少一个标定点；

获取加速度芯片采集的加速度变量原始值；

根据标定参数和加速度原始值，计算得出角度值；

所述标定点分别为0、90、180、270、45、135、225、315角度值；

所述根据标定参数和加速度原始值，计算得出角度值，包括：

(1)当ady＜＝offset_y1且adx＜offset_x1时，角度值计算公式为：

angle＝((offset_y1-ady)/(offset_x1-adx))*(1.01+(sensitive1/1000.00)-((2100-adx)/80000.00))

(2)当ady＜offset_y2且adx＞offset_x1时，角度值计算公式为：

angle＝((offset_y2-ady+0.00)/(adx-offset_x1))*(1.01+(sensitive2/1000.00)+((adx-2000)/80000.00))

(3)当ady＞＝offset_y2且adx＞offset_x2时，角度值计算公式为：

angle＝((ady-offset_y2+0.00)/(adx-offset_x2))*(1.01+(sensitive3/1000.00)-((ady-2000)/70000.00))

(4)当ady＞offset_y1且adx＜offset_x2时，角度值计算公式为：

angle＝((ady-offset_y1+0.00)/(offset_x2-adx))*(1.01+(sensitive4/1000.00)-((ady-2000)/70000.00))

其中，adx为x轴方向加速度值，ady为y轴方向实时加速度值，offset_x1为90标定点的标定参数，offset_x2为270标定点的标定参数，offset_y1为0标定点的标定参数，offset_y2为180标定点的标定参数，angle为角度的弧度值，sensitive1为45标定点的标定参数，sensitive2为135标定点的标定参数，sensitive3为225标定点的标定参数，sensitive4为315标定点的标定参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于象限标定模型的角度传感器检测方法，其特征是，在计算得出角度值之后，还包括：将角度值扩大若干倍后输出，若干倍为20倍。

3.根据权利要求1所述的一种基于象限标定模型的角度传感器检测方法，其特征是，在计算得出角度值之后，还包括根据角度传感器左置、右置判断条件，确定角度传感器的角度使用区间。

4.根据权利要求3所述的一种基于象限标定模型的角度传感器检测方法，其特征是，所述根据角度传感器左置、右置判断条件，确定角度传感器的使用区间包括：

如果是左置，则使用的是270-360度角度区间，如果是右置，则使用的0-90度角度区间。

5.根据权利要求1所述的一种基于象限标定模型的角度传感器检测方法，其特征是，在计算得出角度值之后，还包括对角度值进行滤波。

6.根据权利要求5所述的一种基于象限标定模型的角度传感器检测方法，其特征是，所述滤波的公式为：

tts_log_cal＝(tts_cal+tts_old*(filter_Value_cal-1))/filter_Value_cal

其中，tts_cal为角度输出值，tts_old为上一次滤波值，filter_Value_cal为滤波因子，tts_log_cal为经滤波后的实时值。

7.根据权利要求6所述的一种基于象限标定模型的角度传感器检测方法，其特征是，还包括：如果判断角度在一定时间内持续上升或下降，则调整滤波因子。

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