CN104215222A - 一种全量程无线倾角测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种全量程无线倾角测量系统及测量方法，测量系统包括微处理器，微处理器与倾角传感器连接，微处理器通过第一、第二无线收发模块与上位机连接，倾角传感器由三个单轴加速度计组成，并按其敏感轴的方向在同一竖直平面内互成120°均匀布置；测量方法是倾角测量传感器的三个单轴加速度计分别测量各自敏感轴上的加速度值，传输给微处理器进行判断，选择三个加速度计中灵敏度最高的作为计算倾角的依据，并进行卡尔曼滤波，通过输出显示模块的液晶实时显示，同时通过第一、第二无线收发模块传输到上位机，对数据进行存储以便数据的后续处理，本发明实现0°～360°范围内，精度和稳定性较高的倾角测量。

Description

一种全量程无线倾角测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及倾角测量技术领域，特别涉及一种全量程无线倾角测量系统及测量方法。

背景技术

目前，倾角测量系统广泛应用于建筑、机械、道路、桥梁和地质勘探等需要进行倾角测量的工程领域，随着这类倾角测量系统应用范围的不断扩展，对测量系统也提出了较高的要求,即希望测量的精度较高，又希望测量的范围较大。目前应用的倾角测量系统主要有以下测量方法：传统的倾角测量方法根据其工作原理主要可以分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”式三种。它们的测量精度、测量范围各不相同，但都存在着体积较大、操作繁琐、人为误差较大、智能化水平低、测量精度差等缺点。随着MEMS技术的不断发展，MEMS微传感器受到广泛的应用。目前常用的基于MEMS技术的倾角测量方法主要有基于单轴加速度计以及双轴正交的加速度计倾角测量方法。基于单轴加速度计的倾角测量方法，在大角度范围测量时，测量的精度和灵敏度都不高，只适合小角度范围内的倾角测量。基于双轴正交加速度计的倾角测量方法，测量过程中加速度计的两个敏感轴处在输出特性不同的区间(例如X敏感轴处在线性度和分辨力较高的区间，而Y敏感轴处在线性度和分辨力相对较差的区间)，利用两轴测量数据之比来确定倾角的方法增大了确定测量灵敏度的难度，会使测量的精度和稳定性不高。此外，不管是单轴的测量系统还是双轴的测量系统在使用过程中都无法消除或减少环境温度变化、场地基座振动、外界随机干扰等影响加速度计使用精度的因素。

发明内容

为了克服上述技术的缺点，本发明的目的在于提供一种全量程无线倾角测量系统及测量方法，实现0°～360°范围内，精度和稳定性较高的倾角测量。

为了达到上述目的。本发明采取的而技术方案为：

一种全量程倾角无线测量系统，包括微处理器，微处理器的数据输入端与倾角传感器的数据输出端连接，微处理器的电源输入端与电源模块的电源输出端连接，微处理器的数据显示输出端与输出显示模块的数据显示输入端连接，微处理器的数据输出端与第一无线收发模块的数据输入端连接，第一无线收发模块的输出与第二无线收发模块的输入通过无线实现连接，第二无线收发模块的输出与上位机通过上位机的USB口连接。

所述的倾角传感器由三个单轴加速度计组成，第一单轴加速度计A、第二单轴加速度计B、第三单轴加速度计C按其敏感轴的方向在同一竖直平面内互成120°均匀布置。

所述的倾角传感器、微处理器、输出显示模块，第一无线收发模块安装在一个壳体中。

所述的全量程无线倾角测量系统的测量方法，包括以下步骤：

步骤1)、将倾角测量传感器固定于待测物体上；

步骤2)、倾角传感器的三个加速度计分别测量各自敏感轴上的加速度值，第一加速度计A敏感轴的加速度值为A_AOUT＝gsinθ,第二加速度计B敏感轴的加速度值为A_BOUT＝gsinθ，第三加速度计C敏感轴的加速度值为A_COUT＝gsinθ；

步骤3)、倾角传感器测量的加速度值通过I2C通信方式传输给微处理器，微处理器将接收到的数据进行判断，选择三个加速度计中灵敏度最高的作为计算倾角的依据，具体为：

设定第一加速度计A的敏感轴与水平面平行时为初始位置，倾斜角度为0°，按逆时针方向转动一周过程中，倾角由0°变化到360°，当倾角大小在0-30°范围变化时，第一加速度计A所测得的数据线性度最好，敏感轴的灵敏度大于第二加速度计B敏感轴和第三加速度计C敏感轴的灵敏度，采用第一加速度计A敏感轴的输出作为加速度传感器的输出信号，倾角θ＝arcsin(A_AOUT/g)×(180/π)；当倾角大小在30°-90°范围变化时，倾角θ＝-arcsin(A_BOUT/g)×(180/π)+60；当倾角大小在90°-150°范围变化时，倾角θ＝arcsin(A_COUT/g)×(180/π)+120；当倾角大小在150°-210°范围变化时，倾角θ＝-arcsin(A_AOUT/g)×(180/π)+180；当倾角大小在210°-270°范围变化时，倾角θ＝arcsin(A_BOUT/g)×(180/π)+240；当倾角大小在270°-330°范围变化时，倾角θ＝-arcsin(A_COUT/g)×(180/π)+300；当倾角大小在330°-360°范围变化时，倾角θ＝arcsin(A_AOUT/g)×(180/π)+360；

并对经过判断之后的数据进行卡尔曼滤波；

步骤4)、微处理器进行卡尔曼滤波的数据通过输出显示模块的液晶实时显示，同时通过第一无线收发模块传输到第二无线收发模块，第二无线收发模块将接收到的数据传输到上位机；

步骤5)、传输到上位机的数据在上位机界面上显示，并对数据进行存储以便数据的后续处理。

本发明采用三个单轴加速度计互成120°的排列方式，不仅提高了测量范围，而且使得三个单轴加速度计中至少有一个处于灵敏度较高的区间，使得测量的精度高。采用无线收发模块实现信息传输，解决了有线布线受位置和距离的限制的缺点，实现了较远距离的数据传输。此外，在数据处理中采用卡尔曼滤波，消除或减少了环境温度变化、场地基座振动、外界随机干扰等影响加速度计使用精度的因素，提高了测量数据的精度和稳定性。倾角测量系统采用数字化显示，方便读数，体积小，重量轻，功耗低，便于携带。

附图说明

图1为本发明倾角测量系统的结构框图。

图2为本发明倾角传感器中三个单轴加速度计布置图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参照图1，一种全量程倾角无线测量系统及测量方法，测量系统包括微处理器，微处理器的数据输入端与倾角传感器的数据输出端连接，微处理器的电源输入端与电源模块的电源输出端连接，微处理器的数据显示输出端与输出显示模块的数据显示输入端连接，微处理器的数据输出端与第一无线收发模块的数据输入端连接。第一无线收发模块与第二无线收发模块通过无线实现连接。第二无线收发模块与上位机通过上位机的USB口连接。

参照图2，所述的倾角传感器由三个单轴加速度计组成，第一单轴加速度计A、第二单轴加速度计B、第三单轴加速度计C按其敏感轴的方向在同一竖直平面内互成120°均匀布置。

所述的倾角传感器、微处理器、输出显示模块，第一无线收发模块安装在一个壳体中。

微处理器用于采集倾角传感器各加速度计输出的信号，并对接收到的数据进行数据分析和卡尔曼滤波，并将处理后的数据通过无线模块传输到上位机；第一无线收发模块包括一个无线收发芯片，用于数据的无线输出；第二无线收发模块包括一个无线收发芯片与一个无线串口转USB单片机，用于数据的无线接收；输出显示模块包括一个LCD液晶显示屏，用于实时显示倾角测量结果；上位机用于显示第二无线收发模块接收到的数据，并将数据进行存储以及后续处理。

所述的全量程无线倾角测量系统的测量方法，包括以下步骤：

步骤1)、将倾角测量传感器固定于待测物体上；

步骤2)、倾角传感器的三个加速度计分别测量各自敏感轴上的加速度值，第一加速度计A敏感轴的加速度值为A_AOUT＝gsinθ,第二加速度计B敏感轴的加速度值为A_BOUT＝gsinθ，第三加速度计C敏感轴的加速度值为A_COUT＝gsinθ；

步骤3)、倾角传感器测量的加速度值通过I2C通信方式传输给微处理器，微处理器将接收到的数据进行判断，选择三个加速度计中灵敏度最高的作为计算倾角的依据，具体为：

设定第一加速度计A的敏感轴与水平面平行时为初始位置，倾斜角度为0°，按逆时针方向转动一周过程中，倾角由0°变化到360°，当倾角大小在0-30°范围变化时，至少有一个加速度计与水平面的夹角在-30°～30°范围内，在这个范围内测量的准确性较高，具体判断条件和计算公式如表1所示。

表1倾角计算公式表

并对经过判断之后的数据进行卡尔曼滤波；

步骤4)、微处理器进行卡尔曼滤波的数据通过输出显示模块的液晶实时显示，同时通过第一无线收发模块传输到第二无线收发模块，第二无线收发模块将接收到的数据传输到上位机；

步骤5)、传输到上位机的数据在上位机界面上显示，并对数据进行存储以便数据的后续处理。

本发明采用三个单轴加速度计互成120°的排列方式，不仅提高了测量范围，而且使得三个单轴加速度计中至少有一个处于灵敏度较高的区间，使得测量的精度高。采用无线收发模块实现信息传输，解决了有线布线受位置和距离的限制的缺点，实现了较远距离的数据传输。此外，在数据处理中采用卡尔曼滤波，消除或减少了环境温度变化、场地基座振动、外界随机干扰等影响加速度计使用精度的因素，提高了测量数据的精度和稳定性。倾角测量系统采用数字化显示，方便读数，体积小，重量轻，功耗低，便于携带。

Claims (3)

1.一种全量程倾角无线测量系统，包括微处理器，其特征在于：微处理器的数据输入端与倾角传感器的数据输出端连接，微处理器的电源输入端与电源模块的电源输出端连接，微处理器的数据显示输出端与输出显示模块的数据显示输入端连接，微处理器的数据输出端与第一无线收发模块的数据输入端连接，第一无线收发模块的输出与第二无线收发模块的输入通过无线实现连接，第二无线收发模块的输出与上位机通过上位机的USB口连接；

所述的倾角传感器由三个单轴加速度计组成，第一单轴加速度计A、第二单轴加速度计B、第三单轴加速度计C，它们按其敏感轴的方向在同一竖直平面内互成120°均匀布置。

2.根据权利要求1所述的一种全量程倾角无线测量系统，其特征在于：所述的倾角传感器、微处理器、输出显示模块，第一无线收发模块安装在一个壳体中。

3.根据权利要求1所述的一种全量程倾角无线测量系统的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1)、将倾角测量传感器固定于待测物体上；

步骤2)、倾角传感器的三个加速度计分别测量各自敏感轴上的加速度值，第一加速度计A敏感轴的加速度值为A_AOUT＝gsinθ,第二加速度计B敏感轴的加速度值为A_BOUT＝gsinθ，第三加速度计C敏感轴的加速度值为A_COUT＝gsinθ；

步骤3)、倾角传感器测量的加速度值通过I2C通信方式传输给微处理器，微处理器将接收到的数据进行判断，选择三个加速度计中灵敏度最高的作为计算倾角的依据，具体为：

设定第一加速度计A的敏感轴与水平面平行时为初始位置，倾斜角度为0°，按逆时针方向转动一周过程中，倾角由0°变化到360°，当倾角大小在0-30°范围变化时，第一加速度计A所测得的数据线性度最好，敏感轴的灵敏度大于第二加速度计B敏感轴和第三加速度计C敏感轴的灵敏度，采用第一加速度计A敏感轴的输出作为加速度传感器的输出信号，倾角θ＝arcsin(AAOUT/g)×(180/π)；当倾角大小在30°-90°范围变化时，倾角θ＝-arcsin(ABOUT/g)×(180/π)+60；当倾角大小在90°-150°范围变化时，倾角θ＝arcsin(ACOUT/g)×(180/π)+120；当倾角大小在150°-210°范围变化时，倾角θ＝-arcsin(A_AOUT/g)×(180/π)+180；当倾角大小在210°-270°范围变化时，倾角θ＝arcsin(A_BOUT/g)×(180/π)+240；当倾角大小在270°-330°范围变化时，倾角θ＝-arcsin(A_COUT/g)×(180/π)+300；当倾角大小在330°-360°范围变化时，倾角θ＝arcsin(A_AOUT/g)×(180/π)+360；

并对经过判断之后的数据进行卡尔曼滤波；

步骤4)、微处理器进行卡尔曼滤波的数据通过输出显示模块的液晶实时显示，同时通过第一无线收发模块传输到第二无线收发模块，第二无线收发模块将接收到的数据传输到上位机；

步骤5)、传输到上位机的数据在上位机界面上显示，并对数据进行存储以便数据的后续处理。