[发明专利]测斜仪测量系统和提供用于运动诱导加速度误差的校正的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于校正参照重力的倾角传感器(或测斜仪)中的运动诱导加速度产生的测量误差的装置。通常期望已知机械的可动构件相对于地球重力或相对于其它机械元件的倾角。实现此目的的一个方法在于将参照重力的测斜仪附于可动构件或元件。本发明提供了一种改善这种测斜仪在可动构件的旋转期间的性能的方法。本发明对正切和旋转加速度对感应重力加速度的测斜仪作出的测斜仪测量的影响做了校正。

背景技术

特别有用的是，能监视各种施工设备元件的取向。例如，这种可动元件可以是挖掘机的吊臂、铲斗柄、提斗或底盘平台，或者是推土机、平路机或铲土机的叶片或底盘平台。在多种情况下，随着在操作者的控制下或在自动控制系统的控制下的可动构件的倾角改变，可动构件围绕已知点或轴旋转。由于多种原因，例如参照重力的测斜仪的坚固耐用性、可靠性、小尺寸、安装的简易性以及低成本，参照重力的测斜仪特别适合用于施工设备应用。来自这种参照重力的测斜仪的有用的和期望的输出信号是其相对于水平面的倾角的测量。相对于地球重力测量所述水平面。为了测量相对于重力的倾角，传感器响应于沿着灵敏轴的重力加速度的矢量分量。由于这种类型的传感器不能识别重力加速度和非重力源加速度，因此它本质上对机械运动产生的加速度敏感。直线或平移运动和振动也产生可测量的加速度。这些非重力源加速度可导致来自测斜仪的非期望的和错误的输出信号。这种错误信号的大小与测斜仪经历的非重力加速度是成比例的。在一些情况下，非期望的信号与期望的倾角测量相比是巨大的，使得在产生这种非期望加速度的运动停止之前的传感器输出不可靠且不能用。

当可动构件绕轴转动时，构件的旋转将导致在径向方向上的加速度测量误差。当这种旋转的速度变化时，也将在运动方向的切线方向产生加速度测量误差。这种切向加速度被限定为旋转物体上与旋转轴的距离为“r”的一个点的直线或平移加速度。可动构件上任何位置处的切向加速度均为角加速度和与距离枢转点或轴(可动构件围绕所述枢转点或轴转动)的径向距离“r”的乘积。附于机械的可动构件的参照重力的测斜仪可理想地被设置在所述构件枢转或旋转时所围绕的轴处。因此，距离“r”将等于零，并且将不存在作用于测斜仪上的来自可动构件的角运动的切向加速度。在实际环境下，不可能或不期望将测斜仪设置在构件旋转所围绕的轴处。

用于显示或控制施工机械的可动构件的位置的系统目前以多种形式存在。在可用的传感器中，由于多种原因，包括坚固耐用性、可靠性、小尺寸、安装的简易性以及低成本，参照重力的测斜仪在施工设备应用中是有用的。当这种参照重力的测斜仪未被精确设置在轴(可动构件绕所述轴枢转或旋转)处时，很难获取精确的倾角读数。过滤这种测斜仪的输出以获取更稳定的信号(其具有叠加在该信号上的较少抖动)是常见的。然而，低通过滤也将潜在因素带入了角测量。结果，必须暂时将机械或其元件维持静止，以便于获取精确的位置信息。另外，在控制系统中，潜在因素是不合需要的，其可能造成系统的不稳定。

因此，可以看出，需要一种当测斜仪被安装在枢转或旋转的机械元件上时，校正参照重力的测斜仪中被加速度诱导的测量误差的装置，并且需要这样一种装置，其中测斜仪的速度和精度被提高。

发明内容

根据本发明的用于感应平台相对于重力的倾角的系统和方法满足这些需求。单词“平台”旨在包括测斜仪被安装在其上的任何机械元件，并且不限于支承其它机械元件的机械元件。平台限定了正交的X轴和Y轴，以及与X轴和Y轴二者正交的Z轴。所述平台能够绕平行于Z轴延伸的旋转轴旋转。所述系统包括安装在平台上与旋转轴相隔距离r的位置处的测斜仪，所述测斜仪用于提供指示X和Y方向上的加速度的测斜仪输出，它们分别被指定为I_x和I_y。从旋转轴到测斜仪的直线与X轴形成了夹角B。速率陀螺被安装在平台上。所述速率陀螺感应平台围绕旋转轴的旋转速度w，并提供指示旋转速度w的速率陀螺输出。一个电路对速率陀螺输出求微分以确定平台的角加速度dw/dt。一个电路通过值r乘以所述角加速度来确定平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度r(dw/dt)。一个电路分解平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度以确定其X轴分量，并且分解平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度以确定其Y轴分量。一个电路从平行于X轴方向上感应的加速度Ix中减去平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度的X轴分量，并且从平行于Y轴方向上感应的加速度I_y中减去平台上安装了测斜仪的点处的切向加速度的Y轴分量。结果，测斜仪输出I_x和I_y被用于校正可能由切向加速度导致的误差。