一种基于双MEMS加速度计的在线倾角测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双MEMS加速度计的在线倾角测量方法，建立第一和第二MEMS加速度计的三轴零偏误差寄存器；然后，获取运动物体一个时刻的双MEMS加速度计三轴输出；判断这一时刻双MEMS加速度计的三轴输出是否同时都处于静止状态，如果同时都是处于静止状态，则认为物体处于静止状态，否则认为物体是处于运动状态；本发明专利技术采用双MEMS加速度计零偏在线估计补偿算法，实现了MEMS加速度计零偏的在线估计与补偿，有效地解决了由于MEMS加速度计零偏变化导致的倾角测量精度下降的问题，提升了倾角测量精度。

An on-line inclination measurement method based on dual-MEMS accelerometer

The invention discloses an on-line inclination measurement method based on dual-MEMS accelerometer, establishes three-axis zero bias error registers of the first and second MEMS accelerometers, and then obtains the three-axis output of the dual-MEMS accelerometer at one time of a moving object; judges whether the three-axis output of the dual-MEMS accelerometer is in a static state at the same time, if both are in a static state at the same time. If the object is in a static state, otherwise the object is considered to be in a moving state; the method adopts an on-line estimation and compensation algorithm for the bias of the dual-MEMS accelerometer, realizes the on-line estimation and compensation of the bias of the micro-electro-mechanical accelerometer, effectively solves the problem of the declination of the inclination measurement accuracy caused by the change of the bias of the micro-electro-mechanical accelerometer, and improves the inclination measurement accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种基于双MEMS加速度计的在线倾角测量方法
本专利技术涉及测量仪器
，具体涉及一种基于双MEMS加速度计的在线倾角测量方法。
技术介绍
倾角测量技术经常用于系统的水平、垂直测量。通过对系统偏离水平位置的角度测量反映出被测量对象偏离平衡位置的程度，进而给被测对象的制动控制提供控制信息，作为一种检测方法，它已成为桥梁架设、铁路铺设、土木工程、石油钻井、航空航海、工业自动化、智能平台、机械加工等领域不可缺少的重要测量技术。而随着时代的发展，传统的倾角仪已经不能够满足一些设备对测量精度和量程的要求，缺点也逐渐暴露，如体积大、只能在小范围角度内实现高精度测量、提高精度会造成体积和质量更大等，人们迫切需求一款新型的倾角仪来解决这些问题。随着微机电系统(MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem)技术的出现，采用MEMS传感器集成的倾角仪在同等精度要求的测量条件下，比传统的倾角仪成本低、体积小、可靠性高，被广泛应用于航空航天、建筑行业、工业自动化等需要倾角测量的领域。由MEMS传感器集成的倾角仪系统一般采用MEMS加速度计来组成系统，主要采用三角函数来完成角度的测量。但是MEMS传感器由于内部结构十分微小，因此非常容易受到外界环境因素的干扰，所以相对于传统的倾角仪，由MEMS传感器组成的倾角仪需要较为复杂的误差补偿技术对其输出的数据进行滤波处理，以达到高精度的测量。
技术实现思路
鉴于技术背景，本专利技术提出一种基于双MEMS加速度计的在线倾角测量方法，以实现对系统倾角的准确测量，该倾角测量方法中存在两套独立的MEMS加速度计，这两套加速度计的作用有如下两点：1.用于冗余备份，提高系统的稳健性，当其中任意一套加速度计出现故障时，另外一套仍可以确保系统正常运行；2.当两套加速度计设备均可正常工作时，可利用本专利中设计的双MEMS加速度计倾角估计方法，将双MEMS加速度计的输出进行有效融合，同时完成对MEMS加速度计零偏的在线估计与补偿，达到提升倾角测量精度的目的。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种基于双MEMS加速度计的在线倾角测量方法，是对运动物体采用双MEMS加速度计确定横滚角和俯仰角的方法，双MEMS加速度计分别称为第一MEMS加速度计和第二MEMS加速度计，其步骤包括：步骤一：建立第一MEMS加速度计的三轴零偏误差寄存器，建立第二MEMS加速度计的三轴零偏误差寄存器，将第一和第二MEMS加速度计出厂零偏参数作为第一MEMS加速度计的三轴零偏误差寄存器和第二MEMS加速度计的三轴零偏误差寄存器的初始值；步骤二：获取运动物体一个时刻的第一MEMS加速度计和第二的MEMS加速度计的三轴输出；步骤三：判断这一时刻第一MEMS加速度计和第二的MEMS加速度计的三轴输出是否同时都处于静止状态，如果第一MEMS加速度计和第二的MEMS加速度计同时都是处于静止状态，则认为物体处于静止状态，执行物体静止状态的横滚角和俯仰角的计算方法，在物体静止状态的横滚角和俯仰角的计算方法中重新测算第一MEMS加速度计的三轴零偏和第二MEMS加速度计的三轴零偏误差，并对第一MEMS加速度计的三轴零偏误差寄存器和第二MEMS加速度计的三轴零偏误差寄存器的数据进行更新，输出这一时刻物体静止状态横滚角和俯仰角；否则认为物体是处于运动状态，执行物体运动状态的横滚角和俯仰角的计算方法，并输出这一时刻物体运动状态的横滚角和俯仰角；步骤四：继续获取物体下一个时刻的第一MEMS加速度计和第二的MEMS加速度计的三轴输出，返回步骤三直至测量结束。方案进一步是：所述判断这一时刻第一MEMS加速度计和第二的MEMS加速度计的三轴输出是否同时都处于静止状态是：判断这一时刻k第一MEMS加速度计k时刻的三轴输出偏离误差，以及第二MEMS加速度计k时刻的三轴输出偏离误差是否同时小于一个设定阈值，如果同时小于一个设定阈值，则认为处于静止状态，否则认为处于运动状态；第一MEMS加速度计k时刻的三轴输出偏离误差的判断公式是：第二MEMS加速度计k时刻的三轴输出偏离误差的判断公式是：其中：分别代表这一时刻k的第一MEMS加速度计X，Y，Z轴输出；分别代表这一时刻k的第二MEMS加速度计X，Y，Z轴输出；分别代表第一MEMS加速度计三轴零偏误差寄存器的X，Y，Z三轴零偏误差值；分别代表第二MEMS加速度计三轴零偏误差寄存器的X，Y，Z三轴零偏误差值；g代表当地重力加速度；thre为静态检测阈值。方案进一步是：所述静态检测阈值thre为0.4m/s2。方案进一步是：所述物体运动状态的横滚角和俯仰角的计算方法是：提取第一MEMS加速度计三轴零偏误差寄存器的零偏误差数值对第一MEMS加速度计的三轴输出进行零偏补偿，提取第二MEMS加速度计三轴零偏误差寄存器的零偏误差数值对第二MEMS加速度计的三轴输出进行零偏补偿，然后计算得到第一MEMS加速度计和第二的MEMS加速度计三轴输出零偏补偿后的三轴输出平均值，根据三轴输出平均值计算获得这一时刻的物体运动状态的横滚角和俯仰角。方案进一步是：所述物体静止状态的横滚角和俯仰角的计算方法是：构建并定义第一MEMS加速度计和第二的MEMS加速度计零偏与姿态角误差关系模型，以及获得误差关系模型中的误差测量向量；用kalman滤波方法对零偏与姿态角误差关系模型滤波，将误差测量向量作为滤波输入，从滤波收敛处理获得第一MEMS加速度计k时刻三轴输出横滚角误差、俯仰角误差与三轴零偏误差，以及第二MEMS加速度计k时刻三轴输出横滚角误差、俯仰角误差与三轴零偏误差；用第一MEMS加速度计k时刻横滚角误差与俯仰角误差数值对第一MEMS加速度计估计得到的横滚角与俯仰角进行误差补偿；用第二MEMS加速度计k时刻横滚角误差与俯仰角误差数值对第二MEMS加速度计估计得到的横滚角与俯仰角进行误差补偿；将第一MEMS加速度计与第二MEMS加速度计获得横滚角与俯仰角进行平均，获得这一时刻的物体静止状态的横滚角和俯仰角；将第一MEMS加速度计和第二的MEMS加速度计k时刻三轴输出零偏误差数值分别对第一MEMS加速度计的三轴零偏误差寄存器和第二MEMS加速度计的三轴零偏误差寄存器的数据进行更新；其中：所述构建并定义第一MEMS加速度计和第二的MEMS加速度计零偏与姿态角误差关系模型是：第一步：由获得静止状态这一时刻k的第一MEMS加速度计和第二的MEMS加速度计的三轴输出计算得到静止状态的第一MEMS加速度计的横滚角与俯仰角初始值和第二MEMS加速度计的横滚角与俯仰角初始值；当载体坐标系的XYZ轴分别对应于载体的右前上，导航坐标系的XYZ轴为当地的东北天时，其计算公式分别为：其中：分别代表在载体系X，Y，Z轴上的投影；分别代表在载体系X，Y，Z轴上的投影；和分别是由第一MEMS加速度计三轴输出计算得到的横滚角与俯仰角值；和分别是由第二MEMS加速度计三轴输出计算得到的横滚角与俯仰角值；atan代表反正切函数，asin代表反正弦函数；g代表当地重力加速度；第二步：通过定义k时刻横滚角真值和俯仰角真值获得第一MEMS加速度计k时刻三轴输出横滚角误差与俯仰角误差以及第二MEMS加速度计k时刻三轴输出横滚角误差与俯仰角误差第三步：通过设定k时刻的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双MEMS加速度计的在线倾角测量方法，是对运动物体采用双MEMS加速度计确定横滚角和俯仰角的方法，双MEMS加速度计分别称为第一MEMS加速度计和第二MEMS加速度计，其特征在于：步骤一：建立第一MEMS加速度计的三轴零偏误差寄存器，建立第二MEMS加速度计的三轴零偏误差寄存器，将第一和第二MEMS加速度计出厂零偏参数作为第一MEMS加速度计的三轴零偏误差寄存器和第二MEMS加速度计的三轴零偏误差寄存器的初始值；步骤二：获取运动物体一个时刻的第一MEMS加速度计和第二的MEMS加速度计的三轴输出；步骤三：判断这一时刻第一MEMS加速度计和第二的MEMS加速度计的三轴输出是否同时都处于静止状态，如果第一MEMS加速度计和第二的MEMS加速度计同时都是处于静止状态，则认为物体处于静止状态，执行物体静止状态的横滚角和俯仰角的计算方法，在物体静止状态的横滚角和俯仰角的计算方法中重新测算第一MEMS加速度计的三轴零偏和第二MEMS加速度计的三轴零偏误差，并对第一MEMS加速度计的三轴零偏误差寄存器和第二MEMS加速度计的三轴零偏误差寄存器的数据进行更新，输出这一时刻物体静止状态横滚角和俯仰角；否则认为物体是处于运动状态，执行物体运动状态的横滚角和俯仰角的计算方法，并输出这一时刻物体运动状态的横滚角和俯仰角；步骤四：继续获取物体下一个时刻的第一MEMS加速度计和第二的MEMS加速度计的三轴输出，返回步骤三直至测量结束。...

【技术特征摘要】
1.一种基于双MEMS加速度计的在线倾角测量方法，是对运动物体采用双MEMS加速度计确定横滚角和俯仰角的方法，双MEMS加速度计分别称为第一MEMS加速度计和第二MEMS加速度计，其特征在于：步骤一：建立第一MEMS加速度计的三轴零偏误差寄存器，建立第二MEMS加速度计的三轴零偏误差寄存器，将第一和第二MEMS加速度计出厂零偏参数作为第一MEMS加速度计的三轴零偏误差寄存器和第二MEMS加速度计的三轴零偏误差寄存器的初始值；步骤二：获取运动物体一个时刻的第一MEMS加速度计和第二的MEMS加速度计的三轴输出；步骤三：判断这一时刻第一MEMS加速度计和第二的MEMS加速度计的三轴输出是否同时都处于静止状态，如果第一MEMS加速度计和第二的MEMS加速度计同时都是处于静止状态，则认为物体处于静止状态，执行物体静止状态的横滚角和俯仰角的计算方法，在物体静止状态的横滚角和俯仰角的计算方法中重新测算第一MEMS加速度计的三轴零偏和第二MEMS加速度计的三轴零偏误差，并对第一MEMS加速度计的三轴零偏误差寄存器和第二MEMS加速度计的三轴零偏误差寄存器的数据进行更新，输出这一时刻物体静止状态横滚角和俯仰角；否则认为物体是处于运动状态，执行物体运动状态的横滚角和俯仰角的计算方法，并输出这一时刻物体运动状态的横滚角和俯仰角；步骤四：继续获取物体下一个时刻的第一MEMS加速度计和第二的MEMS加速度计的三轴输出，返回步骤三直至测量结束。2.根据权利要求1所述的基于双MEMS加速度计的在线倾角测量方法，其特征在于，所述判断这一时刻第一MEMS加速度计和第二的MEMS加速度计的三轴输出是否同时都处于静止状态是：判断这一时刻k第一MEMS加速度计k时刻的三轴输出偏离误差，以及第二MEMS加速度计k时刻的三轴输出偏离误差是否同时小于一个设定阈值，如果同时小于一个设定阈值，则认为处于静止状态，否则认为处于运动状态；第一MEMS加速度计k时刻的三轴输出偏离误差的判断公式是：第二MEMS加速度计k时刻的三轴输出偏离误差的判断公式是：其中：分别代表这一时刻k的第一MEMS加速度计X，Y，Z轴输出；分别代表这一时刻k的第二MEMS加速度计X，Y，Z轴输出；分别代表第一MEMS加速度计三轴零偏误差寄存器的X，Y，Z三轴零偏误差值；分别代表第二MEMS加速度计三轴零偏误差寄存器的X，Y，Z三轴零偏误差值；g代表当地重力加速度；thre为静态检测阈值。3.根据权利要求2所述的基于双MEMS加速度计的在线倾角测量方法，其特征在于，所述静态检测阈值thre为0.4m/s2。4.根据权利要求1所述的基于双MEMS加速度计的在线倾角测量方法，其特征在于，所述物体运动状态的横滚角和俯仰角的计算方法是：提取第一MEMS加速度计三轴零偏误差寄存器的零偏误差数值对第一MEMS加速度计的三轴输出进行零偏补偿，提取第二MEMS加速度计三轴零偏误差寄存器的零偏误差数值对第二MEMS加速度计的三轴输出进行零偏补偿，然后计算得到第一MEMS加速度计和第二的MEMS加速度计三轴输出零偏补偿后的三轴输出平均值，根据三轴输出平均值计算获得这一时刻的物体运动状态的横滚角和俯仰角。5.根据权利要求1所述的基于双MEMS加速度计的在线倾角测量方法，其特征在于，所述物体静止状态的横滚角和俯仰角的计算方法是：构建并定义第一MEMS加速度计和第二的MEMS加速度计零偏与姿态角误差关系模型，以及获得误差关系模型中的误差测量向量；用kalman滤波方法对零偏与姿态角误差关系...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁源，徐兵，
申请(专利权)人：北京壹氢科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11