[实用新型]多传感器协同的数字倾角测量系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及数字倾角测量系统。

背景技术

倾角测量系统已在建筑、机械、道路、桥梁和地质勘探等领域得到了广泛应用，目前使用的倾角测量系统主要是采用如下倾角测量方法：

水泡式测量方法，单摆式测量方法，水平布置或垂直布置MEMS加速度计的倾角测量方法。上述方法存在的问题包括：

1、水泡式测量人为因素大，测量误差明显；

2、单摆式测量必须等摆处于稳定位置时才能得出正确的结果，因此仅适用于静态测量；

3、水平布置MEMS加速度计的倾角测量有效范围小(-60°，60°)，超过有效范围测量误差明显增大；

4、垂直布置MEMS加速度计的倾角测量在被测平面处于某些特殊位置，如90°、270°，角度解算输出会发生跳变，从而影响倾角测量的准确性和稳定性。

实用新型内容

本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种倾角测量范围为0～360°、精度高、稳定性好的多传感器协同的数字倾角测量系统。

本实用新型解决技术问题采用如下技术方案：

本实用新型多传感器协同的数字倾角测量系统的特点是：

所述数字倾角测量系统的结构组成包括有：五个输出脉宽占空比信号的加速度计、信号调理电路、微处理器、用于实时显示倾角测量结果的输出显示模块以及电源模块；其中：

所述五个加速度计分别为第一加速度计、第二加速度计、第三加速度计、第四加速度计和第五加速度计，五个加速度计呈扇形展开布置；其中，第三加速度计与被测平面间夹角为0°、第二加速度计和第四加速度计与被测平面间夹角分别为±30°、第一加速度计和第五加速度计与被测平面间夹角分别为±60°；

所述信号调理电路，用于对所述加速度计输出的脉宽占空比信号进行放大和滤波；

所述微处理器，用于采集所述各加速度计输出的脉宽占空比信号，通过所述各加速度计输出的脉宽占空比信号分别获得各加速度计与水平面间的夹角，依据所述各加速度计与水平面间的夹角和各加速度计之间的几何约束关系计算获得被测平面与水平面间的夹角。

附图说明

图1为本实用新型系统结构示意图。

图2为本实用新型的多加速度计扇形展开的布置方法。

图3为本实用新型所描述的多加速度计的两种典型姿态。

图4为本实用新型所定义的惟一置信传感器所在象限判定流程图。

图5为本实用新型在微处理器上实现的倾角测量算法流程图。

图6为本实用新型在整个测量范围内动态倾角测量结果。

具体实施方式

参见图1，本实施例中的多传感器协同的数字倾角测量系统包括：五个加速度计、信号调理电路、微处理器、输出显示模块、电源模块。其中，

加速度计是加速度传感器，输出脉宽占空比信号；

信号调理电路是对加速度计输出的信号进行放大和滤波，选用两片AD623和两个RC电路构成；

微处理器采集加速度计输出的脉宽占空比信号，高电平时间T₁，周期T₂，则加速度计在轴向上的重力加速度为：那么，加速度计在轴向上的倾角θ的计算公式为：θ＝arc sin(A/g)，进一步结合各加速度计之间的几何约束关系即可计算被测平面与水平面的夹角，即被测平面的倾角；

输出显示模块通过液晶实时显示倾角测量结果；

电源模块为系统其他模块提供电源，通常采用电池供电。

参见图2，采用五个加速度计，呈扇形展开布置，五个加速度计分别为第一加速度计、第二加速度计、第三加速度计、第四加速度计和第五加速度计；其中，第三加速度计与被测平面间夹角为0°、第二加速度计和第四加速度计与被测平面间夹角分别为±30°、第一加速度计和第五加速度计与被测平面间夹角分别为±60°；

基于这种布置方法，当被测平面处于任意姿态时，总存在1～3个加速度计与水平面的夹角在[-30°，30°]范围内，而在该范围内加速度计测量的与水平面的夹角是比较准确的，因此再结合各加速度计之间的几何约束关系，便推算出被测平面与水平面的夹角，即被测平面的倾角。

定义1：置信区间是以水平面为基准的[-30°，30°]范围，加速度计在所述置信区间内测量的与水平面的夹角是可信的。

定义2：置信传感器是位于所述置信区间内的加速度计。

参见图2，在任意时刻，多传感器结构中至少存在一个置信传感器。

参见图3(a)，第四加速度计4和第五加速度计5均为置信传感器；参见图3(b)，第三加速度计3和第四加速度计4为置信传感器。