一种卡片式测量物体姿态角的测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种卡片式测量物体姿态角的测量装置及方法，该装置包括陀螺仪传感器模块、MCU微控制器模块、无线传输模块、数据显示模块、电源模块。在被测物体上放置该卡片式测量装置，其中的陀螺仪传感器能够测量物体的姿态角信息，MCU微控制器对陀螺仪传感器测量的数据进行卡尔曼滤波，并把滤波后得到的姿态角信息显示在OLED屏幕上，以及通过无线传输模块发送给运行在智能设备上的上位机进行记录、存储和后续分析。本发明专利技术显著的降低了测量物体姿态角时所需的硬件成本，降低了测量的复杂性，提高了测量的灵活性，而且能够通过无线的方式实时准确地测量到待测物体的姿态角，并且通过卡尔曼滤波提高了测量精度。

A Card-type Measuring Device and Method for Measuring Object Attitude Angle

The invention discloses a card type measuring device and method for measuring object attitude angle. The device comprises a gyroscope sensor module, a MCU microcontroller module, a wireless transmission module, a data display module and a power supply module. The card-type measuring device is placed on the measured object, in which the gyroscope sensor can measure the attitude angle information of the object. The MCU microcontroller Kalman filters the data measured by the gyroscope sensor, displays the attitude angle information obtained after filtering on the OLED screen, and transmits it to the upper computer running on the intelligent device through the wireless transmission module for recording and storing. Storage and subsequent analysis. The invention significantly reduces the hardware cost when measuring the attitude angle of an object, reduces the complexity of the measurement, improves the flexibility of the measurement, and can accurately measure the attitude angle of the object to be measured in real time by wireless way, and improves the measurement accuracy by Kalman filtering.

【技术实现步骤摘要】
一种卡片式测量物体姿态角的测量装置及方法
本专利技术属于姿态角测量
，特别涉及一种卡片式测量物体姿态角的测量装置及方法。
技术介绍
物体的姿态角信息是无人机、机器人、平衡车和智能自动化农业机械设备等必不可少的反馈信息，此外，在机械加工、安装等过程中也需要知道物体的姿态角信息，以达到最优安装位置。随着科技技术的发展和进步，无人机、平衡车等设备逐渐走入寻常百姓家中，然而这些设备能够完成正常工作，精确定位的基础，就依赖于能够实时反馈其自身姿态角信息。此外，在物体安装过程中，往往需要物体精准的姿态角信息，以确保被安装物体处于一个最优的位置。随着这类姿态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，即希望测量精度高，适用范围广，又希望测量过程简单高效。目前物体的姿态角测量主要分为以下几种方式：使用倾角传感器测量物体的姿态角，其原理为依靠惯性力一般为重力的分量大小测量水平陀螺仪，从此类传感器的设计结构上可分为以下三种“固体摆传感器”、“液体摆传感器”以及“气体摆传感器”，此类传感器结构简单，但不能实现全姿态工作，由于其工作原理主要依靠惯性力，所以只适合在静态工作环境下。使用陀螺仪传感器测量物体的姿态角，其通过测量物体运动过程中各轴的转动角速度大小，并对其积分得到物体的姿态角，此类传感器主要分为传统机械陀螺仪、激光陀螺仪，光纤陀螺仪以及微机电(MEMS)惯性测量仪。申请号为201710119502.X，名称为“一种测量物体姿态角的方法和装置”的中国专利中，其通过测量待测物体上的磁场特征量，以及待测物体所在地理坐标系下的磁场特征量作为基准值，根据两者计算待测物体的姿态角。然而该方法的适用范围受到很大的局限性，比如不能测量含有磁性物体的姿态角以及不能测量在有磁性附近物体的姿态角。除此之外，该方法需要得到不同地理坐标下的磁场特征量的基准值，这需要极大的工作量，由于该方法并没有考虑测量误差的影响，所以测量精度有限。申请号为201621304083.4，名称为“一种天线姿态角的测量装置”的中国专利中，通过微控制器、陀螺仪传感器、支撑组件、安装架去测量天线姿态角，在测量时需要把该测量装置安装在天线的抱杆上，利用行程换算法测量天线方位角，结合陀螺仪传感器测量天线倾斜角，从而测到天线的姿态角，此方法虽然不受磁场干扰，但是结构复杂，操作繁琐，测量效率低，应用范围受限，而且改方法也没有考虑陀螺仪传感器测量误差的影响，所以测量精度有限。综上，目前测量物体姿态角的现有方案存在操作复杂、精度差、成本高等问题。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题在于提供一种成本低、体积小、测试便捷、精度高的测量物体姿态角的测量装置及方法。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种卡片式测量物体姿态角的测量装置，该测量装置为卡片式结构，包括位于该测量装置中心的陀螺仪传感器模块，位于陀螺仪传感器模块所在水平面且处于同一直线上的MCU微控制器模块和无线传输模块，分别位于陀螺仪传感器模块上方和下方的数据显示模块和电源模块；所述陀螺仪传感器模块，用于采集待测物体的姿态角数据，并将该数据传输至MCU微控制器模块；所述MCU微控制器模块，用于对接收到的物体的姿态角数据进行卡尔曼滤波，并将滤波后的姿态角数据传输至无线传输模块、数据显示模块；所述无线传输模块，用于将接收到的姿态角数据传输至外部上位机，由上位机对接收到的姿态角数据进行记录、存储与后续分析；所述数据显示模块，用于显示接收到的姿态角数据信息；所述电源模块，用于为陀螺仪传感器模块、MCU微控制器模块、无线传输模块、数据显示模块供电，且该电源模块可充电。基于上述卡片式测量物体姿态角的测量装置的测量方法，包括以下步骤：步骤1、陀螺仪传感器模块采集待测物体的姿态角数据，并将该数据发送至MCU微控制器模块；步骤2、MCU微控制器模块对接收到的物体的姿态角数据进行卡尔曼滤波，并将滤波后的姿态角数据传输至无线传输模块、数据显示模块；步骤3、无线传输模块将接收到的姿态角数据传输至外部上位机，由上位机对姿态角数据进行记录、存储与后续分析。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：1)本专利技术中通过MEMS传感器测量物体姿态角，相比于现有方案，能够实现测量磁性物体的姿态角，该测量装置应用范围广；2)本专利技术中通过MCU微控制器对测量的物体的姿态角数据进行卡尔曼滤波，提高了测量精度；3)本专利技术的测量装置，内部设有可充电的供电电源，无需其它辅助装置，可独立连续工作；4)本专利技术显著的降低了测量物体姿态角时所需的硬件成本，降低了测量的复杂性；5)本专利技术的测量装置为卡片式结构，具有体积小，重量轻等优点。下面结合附图对本专利技术作进一步详细的描述。附图说明图1为本专利技术卡片式测量物体姿态角的测量装置的结构示意图；其中，1-陀螺仪传感器、2-MCU微控制器、3-无线传输模块、4-数据显示模块、5-电源模块、6-PCB电路板、7-充电接口。图2为本专利技术卡片式测量物体姿态角的测量装置模块流程框图。图3为本专利技术MCU对陀螺仪数据进行卡尔曼滤波仿真轨迹比较图。图4为本专利技术MCU对陀螺仪数据进行卡尔曼滤波仿真误差比较图。具体实施方式结合图1，本专利技术卡片式测量物体姿态角的测量装置为卡片式结构，包括位于该测量装置中心的陀螺仪传感器模块1，位于陀螺仪传感器模块1所在水平面且处于同一直线上的MCU微控制器模块2和无线传输模块3，分别位于陀螺仪传感器模块1上方和下方的数据显示模块4和电源模块5；陀螺仪传感器模块1，用于采集待测物体的姿态角数据，并将该数据传输至MCU微控制器模块2；MCU微控制器模块2，用于对接收到的物体的姿态角数据进行卡尔曼滤波，并将滤波后的姿态角数据传输至无线传输模块3、数据显示模块4；无线传输模块3，用于将接收到的姿态角数据传输至外部上位机，由上位机对接收到的姿态角数据进行记录、存储与后续分析；数据显示模块4，用于显示接收到的姿态角数据信息；电源模块5，用于为陀螺仪传感器模块1、MCU微控制器模块2、无线传输模块3、数据显示模块4供电，且该电源模块5可充电。进一步优选地，陀螺仪传感器模块1包括：用于测量物体3轴角速度的3轴MEMS陀螺仪；用于测量物体3轴角加速度的3轴MEMS加速度计；用于对角速度和角加速度进行运算以减小MCU微控制器模块运算量的可扩展的数字运动处理器DMP。示例性优选地，无线传输模块3为蓝牙模块或2.4GWi-Fi模块或5GWi-Fi模块。示例性优选地，数据显示模块4为OLED显示屏。示例性优选地，电源模块5为可充电锂电池。示例性优选地，该测量装置为长方体结构或圆柱体结构。结合图2，本专利技术卡片式测量物体姿态角的测量装置的测量方法，包括以下步骤：步骤1、陀螺仪传感器模块采集待测物体的姿态角数据，并将该数据发送至MCU微控制器模块；步骤2、MCU微控制器模块对接收到的物体的姿态角数据进行卡尔曼滤波，并将滤波后的姿态角数据传输至无线传输模块、数据显示模块；步骤3、无线传输模块将接收到的姿态角数据传输至外部上位机，由上位机对姿态角数据进行记录、存储与后续分析。进一步地，步骤2中对物体的姿态角数据进行卡尔曼滤波，具体为：步骤2-1、建立测量物体姿态角的测量系统的状态空间模型；具体为：(1)建立观测模型为：y(k)＝x(k)+v(k)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种卡片式测量物体姿态角的测量装置，其特征在于，该测量装置为卡片式结构，包括位于该测量装置中心的陀螺仪传感器模块(1)，位于陀螺仪传感器模块(1)所在水平面且处于同一直线上的MCU微控制器模块(2)和无线传输模块(3)，分别位于陀螺仪传感器模块(1)上方和下方的数据显示模块(4)和电源模块(5)；所述陀螺仪传感器模块(1)，用于采集待测物体的姿态角数据，并将该数据传输至MCU微控制器模块(2)；所述MCU微控制器模块(2)，用于对接收到的物体的姿态角数据进行卡尔曼滤波，并将滤波后的姿态角数据传输至无线传输模块(3)、数据显示模块(4)；所述无线传输模块(3)，用于将接收到的姿态角数据传输至外部上位机，由上位机对接收到的姿态角数据进行记录、存储与后续分析；所述数据显示模块(4)，用于显示接收到的姿态角数据信息；所述电源模块(5)，用于为陀螺仪传感器模块(1)、MCU微控制器模块(2)、无线传输模块(3)、数据显示模块(4)供电，且该电源模块(5)可充电。

【技术特征摘要】
1.一种卡片式测量物体姿态角的测量装置，其特征在于，该测量装置为卡片式结构，包括位于该测量装置中心的陀螺仪传感器模块(1)，位于陀螺仪传感器模块(1)所在水平面且处于同一直线上的MCU微控制器模块(2)和无线传输模块(3)，分别位于陀螺仪传感器模块(1)上方和下方的数据显示模块(4)和电源模块(5)；所述陀螺仪传感器模块(1)，用于采集待测物体的姿态角数据，并将该数据传输至MCU微控制器模块(2)；所述MCU微控制器模块(2)，用于对接收到的物体的姿态角数据进行卡尔曼滤波，并将滤波后的姿态角数据传输至无线传输模块(3)、数据显示模块(4)；所述无线传输模块(3)，用于将接收到的姿态角数据传输至外部上位机，由上位机对接收到的姿态角数据进行记录、存储与后续分析；所述数据显示模块(4)，用于显示接收到的姿态角数据信息；所述电源模块(5)，用于为陀螺仪传感器模块(1)、MCU微控制器模块(2)、无线传输模块(3)、数据显示模块(4)供电，且该电源模块(5)可充电。2.根据权利要求1所述的卡片式测量物体姿态角的测量装置，其特征在于，所述陀螺仪传感器模块(1)包括：用于测量物体3轴角速度的3轴MEMS陀螺仪；用于测量物体3轴角加速度的3轴MEMS加速度计；用于对角速度和角加速度进行运算以减小MCU微控制器模块运算量的可扩展的数字运动处理器DMP。3.根据权利要求2所述的卡片式测量物体姿态角的测量装置，其特征在于，所述无线传输模块(3)为蓝牙模块或2.4GWi-Fi模块或5GWi-Fi模块。4.根据权利要求3所述的卡片式测量物体姿态角的测量装置，其特征在于，所述数据显示模块(4)为OLED显示屏。5.根据权利要求4所述的卡片式测量物体姿态角的测量装置，其特征在于，所述电源模块(5)为可充电锂电池。6.根据权利要求1所述的卡片式测量物体姿态角的测量装置，其特征在于，该测量装置为长方体结构或圆柱体结构。7.基于权利要求1所述的卡片式测量物体姿态角的测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、陀螺仪传感器模块采集待测物体的姿态角数据，并将该数据发...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭树生，卞亨通，吴礼，刘钧，肖芸，高辉，盛俊铭，毕业昆，彭立尧，李玉年，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32