CN103837133A - 作业车的曲臂倾斜角的测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种作业车的曲臂倾斜角的测量方法及系统，其中，方法包括：安装在曲臂上的倾角计在曲臂做旋转运动时，测量倾角计中测力摆线所受的力F_测，通过β=arccos（F_测/mg）计算获取曲臂倾斜角β；单片机控制器通过曲臂倾斜角β、倾角计中摆锤球的质量m、以及倾角计中摆锤球绕曲臂旋转运动中心的旋转半径r，计算得到倾角计中摆锤球所受的向心力F_向；所述单片机控制器对曲臂倾斜角β进行修正处理，通过公式α=arccos(（F_测-F_向）/mg）计算实际的曲臂倾斜角α，其中g为重力加速度。本发明实施例可以得到更加精确的曲臂倾斜角。

Description

作业车的曲臂倾斜角的测量方法及系统

技术领域

本发明涉及测量技术，尤其是一种作业车的曲臂倾斜角的测量方法及系统。

背景技术

运动曲臂式作业车的曲臂倾斜角是作业车上能够做旋转运动的曲臂相对地面的水平夹角。曲臂倾斜角是一项重要的参数，它对控制臂端的平台调平、臂架的姿态调整等起着极其重要的作用，直接关系着设备及人员的安全问题。因此，精准地实时测量运动曲臂的动态倾斜角很关键。

现有技术是采用经济性最好的固体式倾角计来测量曲臂倾斜角。倾角计是运用惯性原理的一种加速度传感器，可用于系统的水平测量或相对于水平面的倾斜角变化量的测量。倾角计的理论基础是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部无法测量物体的速度，但可以测量其加速度。如果已知物体的初速度，则可以通过积分计算出其线速度，进而可以计算出物体的直线位移。

当倾角计静止时，即在倾角计的侧面和垂直方向没有加速度作用时，作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴（例如，测力摆线）之间的夹角即为曲臂倾斜角。但当曲臂在展开或回收的过程中，倾角计以曲臂为半径、以曲臂和主臂的铰接点为圆心作圆周运动。此时，由于倾角计向心力的存在，对倾斜角的测量将会产生偏差，使得测量出来的倾斜角值要比实际的倾斜角值小，无法满足对曲臂的倾斜角测量精度的要求，严重影响运动曲臂式作业车控制系统的稳定性。

由于曲臂运动速度越小，倾角计所受的向心力也越小，倾斜角的测量偏差越小，因此，目前业界大多数采用牺牲速度的方法来获得相对精确的曲臂倾斜角，但是过慢的速度无法满足部分工程的需求。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题是：提供一种作业车的曲臂倾斜角的测量方法及系统，以在作业车曲臂做旋转运动时精确测得其倾斜角的大小，获得更加精确的曲臂倾斜角，解决现有技术中因忽略曲臂做旋转运动时伴有向心力的影响而导致所测的曲臂倾斜角值不准的问题。

本发明实施例提供的一种作业车的曲臂倾斜角的测量方法，包括：

安装在曲臂上的倾角计在曲臂做旋转运动时，测量倾角计中测力摆线所受的力F_测，通过β=arccos（F_测/mg）计算获取曲臂倾斜角β；

单片机控制器通过曲臂倾斜角β、倾角计中摆锤球的质量m、以及倾角计中摆锤球绕曲臂旋转运动中心的旋转半径r，计算得到倾角计中摆锤球所受的向心力F_向；

所述单片机控制器对曲臂倾斜角β进行修正处理，通过公式α=arccos(（F_测-F_向）/mg）计算实际的曲臂倾斜角α，其中g为重力加速度。

本发明上述作业车的曲臂倾斜角的测量方法的另一实施例中，所述倾角计包括固定支架、测力摆线和摆锤球；

所述计算得到倾角计中摆锤球所受的向心力F_向包括：

对曲臂倾斜角β进行微分处理，得到摆锤球的角速度ω=dβ/dt，其中t为时间；

利用公式F_向=mω²r，得到摆锤球所受的向心力F_向。

本发明上述作业车的曲臂倾斜角的测量方法的另一实施例中，还包括：

所述单片机控制器将实际的曲臂倾斜角α输出到作业车的控制系统。

本发明上述作业车的曲臂倾斜角的测量方法的另一实施例中，还包括：

所述单片机控制器将实际的曲臂倾斜角α输出到显示器进行显示。

本发明上述作业车的曲臂倾斜角的测量方法的另一实施例中，所述单片机控制器通过数字串行外设接口SPI采集曲臂倾斜角β。

本发明实施例提供的一种作业车的曲臂倾斜角的测量系统，包括：

倾角计，安装在曲臂上，用于在曲臂做旋转运动时测量倾角计中测力摆线所受的力F_测，通过β=arccos（F_测/mg）计算获取曲臂倾斜角β；

单片机控制器，用于通过曲臂倾斜角β、倾角计中摆锤球的质量m、以及倾角计中摆锤球绕曲臂旋转运动中心的旋转半径r，计算得到倾角计中摆锤球所受的向心力F_向；

所述单片机控制器还用于对曲臂倾斜角β进行修正处理，通过利用公式α=arccos(（F_测-F_向）/mg）计算实际的曲臂倾斜角α，其中g为重力加速度。

本发明作业车的曲臂倾斜角的测量系统的另一实施例中，所述倾角计包括固定支架、测力摆线和摆锤球；

所述单片机控制器具体对曲臂倾斜角β进行微分处理，得到摆锤球的角速度ω=dβ/dt，其中t为时间；利用公式F_向=mω²r，得到摆锤球所受的向心力F_向。

本发明作业车的曲臂倾斜角的测量系统的另一实施例中，所述单片机控制器，还用于将实际的曲臂倾斜角α输出到作业车的控制系统。

本发明作业车的曲臂倾斜角的测量系统的另一实施例中，所述单片机控制器，还用于将实际的曲臂倾斜角α输出到显示器进行显示；

所述系统还包括：

显示器，用于显示实际的曲臂倾斜角α。

本发明作业车的曲臂倾斜角的测量系统的另一实施例中，所述单片机控制器具体通过数字串行外设接口SPI采集曲臂倾斜角β。

基于本发明上述实施例提供的作业车的曲臂倾斜角的测量方法与装置，曲臂做旋转运动时，安装在曲臂上的倾角计测量倾角计中测力摆线所受的力F_测，通过计算获取曲臂倾斜角β。单片机控制器通过曲臂倾斜角β、倾角计中摆锤球的质量m、以及倾角计中摆锤球绕曲臂旋转运动中心的旋转半径r，计算得到倾角计中摆锤球所受的向心力F_向。进而，单片机控制器对曲臂倾斜角β进行修正处理，通过计算得到实际的曲臂倾斜角α。与现有技术相比，本发明实施例在倾角计测量曲臂倾斜角时考虑了向心力的影响，通过修正处理所得到的曲臂倾斜角更加精确。

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

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明作业车曲臂倾斜角的测量方法一个实施例的流程图；

图2为本发明作业车曲臂倾斜角的测量方法实施例中倾角计的结构示意图；

图3为本发明作业车曲臂倾斜角的测量方法实施例中曲臂静止时倾角计中摆锤球受力分析的示意图；

图4为本发明作业车曲臂倾斜角的测量方法实施例中曲臂做旋转运动时的示意图；

图5为本发明作业车曲臂倾斜角的测量方法实施例中曲臂做旋转运动时倾角计中摆锤球受力分析的示意图；

图6为本发明作业车的曲臂倾斜角的测量系统一个实施例的结构示意图；

图7为本发明作业车的曲臂倾斜角的测量系统另一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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。

图1为本发明作业车曲臂倾斜角的测量方法一个实施例的流程图。如图1所示，本实施例提供的作业车曲臂倾斜角的测量方法，具体包括：

步骤101，安装在曲臂上的倾角计在曲臂做旋转运动时，测量倾角计中测力摆线所受的力F_测，通过β=arccos（F_测/mg）计算获取曲臂倾斜角β；

步骤102，单片机控制器通过曲臂倾斜角β、倾角计中摆锤球的质量m、以及倾角计中摆锤球绕曲臂旋转运动中心的旋转半径r，计算得到倾角计中摆锤球所受的向心力F_向；

步骤103，单片机控制器对曲臂倾斜角β进行修正处理，通过公式α=arccos(（F_测-F_向）/mg）计算实际的曲臂倾斜角α，其中g为重力加速度。

基于本发明上述实施例提供的作业车的曲臂倾斜角的测量方法，曲臂做旋转运动时，安装在曲臂上的倾角计测量倾角计中测力摆线所受的力F_测，通过计算获取曲臂倾斜角β。单片机控制器通过曲臂倾斜角β、倾角计中摆锤球的质量m、以及倾角计中摆锤球绕曲臂旋转运动中心的旋转半径r，计算得到倾角计中摆锤球所受的向心力F_向。进而，单片机控制器对曲臂倾斜角β进行修正处理，通过计算得到实际的曲臂倾斜角α。与现有技术相比，利用倾角计测量曲臂倾斜角时考虑向心力的影响，通过修正处理所得到的曲臂倾斜角更加精确。

图2为本发明作业车曲臂倾斜角的测量方法实施例中倾角计的结构示意图。如图2所示，倾角计200可以是固体摆式倾角计，其包括固定支架201、测力摆线202和摆锤球203。示例性地，倾角计具体可以是三维微机电系统（3D-MEMS）的倾角计。

具体地，曲臂在静止的情况下，测量得到的测力摆线所受的力F_测=F_理=mgcosα，其中F_理为理论计算得到实际的曲臂倾斜角时测力摆线所受的力，倾角计所测得曲臂倾斜角α即为实际的曲臂倾斜角，如图3所示，为本发明作业车曲臂倾斜角的测量方法实施例中曲臂静止时倾角计中摆锤球受力分析的示意图。

进一步地，曲臂在做旋转运动的情况下，例如曲臂做展开或回收运动，如图4所示，为本发明作业车曲臂倾斜角的测量方法实施例中曲臂做旋转运动时的示意图。在图4中，作业车的主臂300连接曲臂100，倾角计200安装在曲臂100上，倾角计200与旋转运动中心O的距离为r。当曲臂100做旋转运动时，例如，曲臂做展开运动，即由A点运动到B点；或者曲臂做回收运动，即由点运动到C点，倾角计200中的摆锤球203的位置会相应地变化，倾角计200测量的测力摆线202所受的力F_测也会相应地变化，此时测量得到的测力摆线202所受的力F_测=F_理+F_向，如图5所示，为本发明作业车曲臂倾斜角的测量方法实施例中曲臂做旋转运动时倾角计中摆锤球受力分析的示意图。根据F_测=mgcosβ、F_理=mgcosα，可以得知理论计算得到实际的曲臂倾斜角α时测力摆线所受的力F_理=F_测-F_向=mgcosβ-mgcosα。因此，倾角计所测得曲臂倾斜角α=arccos(（F_测-F_向）/mg）。

作为本发明作业车曲臂倾斜角的测量方法的一个具体实施例，图1所示实施例的步骤102具体可以通过以下方式实现：对曲臂倾斜角β进行微分处理，得到摆锤球的角速度ω=dβ/dt，其中t为时间；利用公式F_向=mω²r，得到摆锤球所受的向心力F_向。一般地，角速度ω需要通过陀螺仪传感器来测量，而该实施例中，通过对曲臂倾斜角β进行微分处理，即可得到角速度ω，省去了价格昂贵的陀螺仪传感器，节约了开发成本，具有优良的经济性。

作为本发明作业车的曲臂倾斜角的测量方法的另一个实施例，图1所示流程还可以包括：单片机控制器将实际的曲臂倾斜角α输出到作业车的控制系统，以便根据曲臂倾斜角α来控制臂端的平台调平、臂架的姿态等，从而提升作业车控制系统的稳定性。作为示例，该实施例中的倾角计可以采用VTI Technologies公司的SCA61T芯片，单片机控制器可以采用Atmel公司的Atmegal6单片机。

进一步地，作为本发明作业车的曲臂倾斜角的测量方法的又一个实施例，图1所示流程还可以还包括：单片机控制器将实际的曲臂倾斜角α输出到显示器进行显示。具体地，该显示器可以是液晶显示器LCD，将理解，本发明并不限于此。

作为本发明上述实施例作业车的曲臂倾斜角的测量方法的一个具体实例而非限制，单片机控制器可以通过数字串行外设接口（SPI）来采集曲臂倾斜角β。具体地，倾角计安装在曲臂上并接通电源后，单片机控制器可以对输入输出（IO）口、定时器、中断等进行初始设置，以防程序运行过程中的混乱。进一步地，单片机控制器通过SPI接口采集倾角计测量的曲臂倾斜角β，进行修正处理得到实际的曲臂倾斜角α。

图6为本发明作业车的曲臂倾斜角的测量系统一个实施例的结构示意图。该实施例提供的作业车的曲臂倾斜角的测量系统可以实现本发明实施例提供的作业车的曲臂倾斜角的测量方法，如图6所示，其包括倾角计200和单片机控制器400。

其中，倾角计200安装在曲臂100上（参见图4），用于在曲臂做旋转运动时测量倾角计200中测力摆线所受的力F_测，通过β=arccos（F_测/mg）计算获取曲臂倾斜角β；单片机控制器400，用于通过曲臂倾斜角β、倾角计200中摆锤球的质量m、以及倾角计200中摆锤球绕曲臂旋转运动中心的旋转半径r，计算得到倾角计200中摆锤球所受的向心力F_向；单片机控制器400还用于对曲臂倾斜角β进行修正处理，通过利用公式α=arccos(（F_测-F_向）/mg）计算实际的曲臂倾斜角α，其中g为重力加速度。

基于本发明上述实施例提供的作业车的曲臂倾斜角的测量系统，曲臂做旋转运动时，安装在曲臂上的倾角计测量倾角计中测力摆线所受的力F_测，通过计算获取曲臂倾斜角β。单片机控制器通过曲臂倾斜角β、倾角计中摆锤球的质量m、以及倾角计中摆锤球绕曲臂旋转运动中心的旋转半径r，计算得到倾角计中摆锤球所受的向心力F_向。进而，单片机控制器对曲臂倾斜角β进行修正处理，通过计算得到实际的曲臂倾斜角α。与现有技术相比，利用倾角计测量曲臂倾斜角时考虑向心力的影响，通过修正处理所得到的曲臂倾斜角更加精确。

再参见图2，作为本发明实施例作业车的曲臂倾斜角的测量系统的具体示例而非限制，倾角计200可以是固体摆式倾角计，其包括固定支架201、测力摆线202和摆锤球203。示例性地，倾角计200可以是3D-MEMS的倾角计。与方法实施例相对应，倾角计测量曲臂倾斜角的具体实现过程，这里不再赘述。

作为本发明上述实施例作业车的曲臂倾斜角的测量系统的一个具体实施例，单片机控制器400具体对曲臂倾斜角β进行微分处理，得到摆锤球的角速度ω=dβ/dt，其中t为时间；利用公式F_向=mω²r，得到摆锤球所受的向心力F_向。该实施例中，通过采用单片机控制器400对曲臂倾斜角β进行微分处理，即可得到角速度ω，省去了价格昂贵的陀螺仪传感器，节约了开发成本，具有优良的经济性。

作为本发明作业车的曲臂倾斜角的测量系统的另一个实施例，单片机控制器400还用于将实际的曲臂倾斜角α输出到作业车的控制系统，以便根据曲臂倾斜角α来控制臂端的平台调平、臂架的姿态等，从而提升作业车控制系统的稳定性。

作为本发明作业车的曲臂倾斜角的测量系统的另一个实施例，单片机控制器400还用于将实际的曲臂倾斜角α输出到显示器进行显示。相应地，该实施例还可以包括：显示器500，用于显示实际的曲臂倾斜角α。如图7所示，为本发明作业车的曲臂倾斜角的测量系统的另一个实施例的结构示意图。

作为本发明上述实施例作业车的曲臂倾斜角的测量系统的一个具体实例而非限制，单片机控制器400具体可以通过数字串行外设接口SPI采集曲臂倾斜角β。具体地，倾角计200安装在曲臂上并接通电源后，单片机控制器400可以对IO口、定时器、中断等进行初始设置，以防程序运行过程中的混乱。再参见图7，进一步地，单片机控制器400通过SPI接口采集倾角计200测量的曲臂倾斜角β，进行修正处理得到实际的曲臂倾斜角α。

本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

可能以许多方式来实现本发明的方法、系统。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法和系统。用于所述方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明实施例可以在曲臂做旋转运动时，利用安装在曲臂上的倾角计测量倾角计中测力摆线所受的力F_测，通过计算获取曲臂倾斜角β。单片机控制器通过曲臂倾斜角β、倾角计中摆锤球的质量m、以及倾角计中摆锤球绕曲臂旋转运动中心的旋转半径r，计算得到倾角计中摆锤球所受的向心力F_向。进而，单片机控制器对曲臂倾斜角β进行修正处理，通过计算得到实际的曲臂倾斜角α。本发明实施例在倾角计测量曲臂倾斜角时考虑了向心力的影响，通过修正处理所得到的曲臂倾斜角更加精确。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种作业车的曲臂倾斜角的测量方法，其特征在于，包括：

安装在曲臂上的倾角计在曲臂做旋转运动时，测量倾角计中测力摆线所受的力F_测，通过β=arccos（F_测/mg）计算获取曲臂倾斜角β；

单片机控制器通过曲臂倾斜角β、倾角计中摆锤球的质量m、以及倾角计中摆锤球绕曲臂旋转运动中心的旋转半径r，计算得到倾角计中摆锤球所受的向心力F_向；

所述单片机控制器对曲臂倾斜角β进行修正处理，通过公式α=arccos(（F_测-F_向）/mg）计算实际的曲臂倾斜角α，其中g为重力加速度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述倾角计包括固定支架、测力摆线和摆锤球；

所述计算得到倾角计中摆锤球所受的向心力F_向包括：

对曲臂倾斜角β进行微分处理，得到摆锤球的角速度ω=dβ/dt，其中t为时间；

利用公式F_向=mω²r，得到摆锤球所受的向心力F_向。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：

所述单片机控制器将实际的曲臂倾斜角α输出到作业车的控制系统。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：

所述单片机控制器将实际的曲臂倾斜角α输出到显示器进行显示。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，所述单片机控制器通过数字串行外设接口SPI采集曲臂倾斜角β。

6.一种作业车的曲臂倾斜角的测量系统，其特征在于，包括：

倾角计，安装在曲臂上，用于在曲臂做旋转运动时测量倾角计中测力摆线所受的力F_测，通过β=arccos（F_测/mg）计算获取曲臂倾斜角β；

单片机控制器，用于通过曲臂倾斜角β、倾角计中摆锤球的质量m、以及倾角计中摆锤球绕曲臂旋转运动中心的旋转半径r，计算得到倾角计中摆锤球所受的向心力F_向；

所述单片机控制器还用于对曲臂倾斜角β进行修正处理，通过利用公式α=arccos(（F_测-F_向）/mg）计算实际的曲臂倾斜角α，其中g为重力加速度。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述倾角计包括固定支架、测力摆线和摆锤球；

所述单片机控制器具体对曲臂倾斜角β进行微分处理，得到摆锤球的角速度ω=dβ/dt，其中t为时间；利用公式F_向=mω²r，得到摆锤球所受的向心力F_向。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述单片机控制器，还用于将实际的曲臂倾斜角α输出到作业车的控制系统。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述单片机控制器，还用于将实际的曲臂倾斜角α输出到显示器进行显示；

所述系统还包括：

显示器，用于显示实际的曲臂倾斜角α。

10.根据权利要求6至9任意一项所述的系统，其特征在于，所述单片机控制器具体通过数字串行外设接口SPI采集曲臂倾斜角β。

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