一种单轴旋转载体转轴转角惯性测量系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种单轴旋转载体转轴转角惯性测量系统及方法，系统包括惯性测量设备和计算机，所述惯性测量设备包括微处理器，和与微处理器电信号连接的三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计；惯性测量设备还具有固定端，惯性测量设备通过固定端固定设置在旋转载体的任一平面的任一位置上；惯性测量设备与计算机通讯连接；计算机用于根据惯性测量设备的姿态信息解算旋转载体的转轴转角；通过求解增量四元数，结合增量四元数与轴角对的关系，可实时输出单轴旋转载体的转轴转角信息，该方法操作简单，无需假设复杂的测量设备，简化了测量过程，设备体积小，完全依靠自身设备工作，隐蔽性好，工作不受测量环境限制，测量灵活，可靠性高。

An inertial measurement system and method for the rotation angle of single axis rotating carrier

【技术实现步骤摘要】
一种单轴旋转载体转轴转角惯性测量系统及方法
本专利技术属于惯性检测
，是一种灵活方便高精度的单轴旋转载体转轴转角测量系统及方法，涉及一种基于工业级三轴陀螺仪、工业级三轴加速度计以及工业级三轴磁力计的单轴旋转载体转轴转动角度的测量系统及方法。
技术介绍
在机器人、航空航天、医疗康复等领域，对单轴旋转载体的转轴和转动角度进行灵活准确的测量，从而可以达到对其进行参数修正、故障诊断和有效的控制的目的。目前对于单轴旋转载体的转轴转角测量，根据测量原理不同，可以分为机械测量、电磁测量、光学测量和基于视觉的测量等。机械测量方法需要改变单轴旋转载体的初始结构，测量过程复杂。电磁测量方法需要进行复杂的安装和校正。光学测量和基于视觉的测量方法需要特殊的测量设备，如激光干涉仪和摄像机等，设备架设复杂，并且对测量环境要求较高，测量过程中一旦出现遮挡，测量将中断。上述方法在对测量灵活性要求不高的场合，可以实现较高的转轴转角测量精度。但在测量空间有限，难以架设复杂的测量设备，要求测量具有高度灵活性的场合，比如实时测量协作型机器人在与人协同工作过程中的某个关节转动的角度，上述方法并不适用。此外，上述方法在进行转角测量时，通常需要转轴为已知状态，在转轴未知情况下难以进行转角测量。
技术实现思路
为实现对单轴旋转载体的灵活方便高精度的转轴转角测量，本专利技术提出一种单轴旋转载体转轴转角惯性测量系统及方法。该方法中惯性测量设备体积小，完全依靠自身设备工作，隐蔽性好，工作不受测量环境限制，测量灵活，可靠性高。本专利技术针对现有单轴旋转载体转轴转角测量方法测量过程复杂，测量过程不灵活等问题，提出一种单轴旋转载体转轴转角惯性测量方法，目的是提供一种灵活方便的转轴转角惯性测量方法，提高单轴旋转载体转轴转角测量的精度和灵活性。第一方面，本专利技术提供了一种单轴旋转载体转轴转角惯性测量系统，包括惯性测量设备和计算机，所述惯性测量设备包括微处理器，和与微处理器电信号连接的三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计；惯性测量设备还具有固定端，惯性测量设备通过固定端固定设置在旋转载体的任一平面的任一位置上；惯性测量设备与计算机通讯连接；计算机用于根据惯性测量设备的姿态信息解算旋转载体的转轴转角。进一步的，所述惯性测量设备还包括通信组件和电源组件；进一步的，电源组件为微处理器、工业级三轴加速度计、工业级三轴陀螺仪、工业级三轴磁力计和通信组件供电；通信组件用于将惯性测量设备解算得到的姿态信息通过串口、网线、蓝牙和WiFi方式传输到计算机。第二方面，本专利技术还提供了如第一方面所述的单轴旋转载体转轴转角惯性测量系统的测量方法，步骤包括：S1、惯性测量设备与单轴旋转载体的任一平面的任一位置固定连接；S2、根据惯性测量设备输出的姿态信息计算单轴旋转载体的转轴姿态信息；S3、根据计算得到的转轴姿态信息和惯性测量设备输出的姿态信息计算单轴旋转载体的转角信息。进一步的，所述步骤S2具体包括：O1X1Y1Z1为旋转载体的所在的坐标系；O2X2Y2Z2为惯性测量设备自身的参考坐标系；假设旋转载体绕旋转轴r＝[rxryrz]T做逆时针旋转运动，逆时针转动时的角度为正；由于惯性测量设备固定于载体表面上，惯性测量设备从第一位置顺时针运动到第二位置所转过的角度θ即为所求的单轴旋转载体的转角θ。进一步的，设惯性测量设备在第一位置处时输出的姿态信息为四元数q1＝[q11q12q13q14]T，惯性测量设备在第二位置处时输出的姿态信息为四元数q2＝[q21q22q23q24]T，定义惯性测量设备从第一位置旋转第二位置时，其姿态变化为四元数qΔ＝[qΔ1qΔ2qΔ3qΔ4]T。其中qi(i＝1,2,△)为单位四元数，qjk(j＝1,2,△；k＝1,2,3,4)为组成四元数的四个参数；根据惯性测量设备的旋转运动得出方程：根据四元数的叉乘运算，得出如下方程：进一步的，经过叉乘运算后的qΔ需要重新进行单位化：根据四元数和轴角对之间的关系，得出如下方程组：根据方程(5)，转角范围为[0,2π,]，根据方程(5)中的第一个等式，定义中间旋转角度变量(α∈[0,2π])；根据规定的参考坐标系O1X1Y1Z和旋转角度方向，确定rz>0；和具有相同的符号；全范围的转角通过如下方程获得：进一步的，将方程(6)代入方程组(5)，可以得到转轴计算公式：当中间旋转角度变量α太小时，所测得的转轴姿态会发散，当α大于设定阈值时，引入均值滤波，转轴r的计算公式如下：其中，m为α大于设定阈值时均值滤波器采样点的数量；将计算的转轴进行单位化即可得到最终测量的单轴旋转载体的转轴姿态。进一步的，所述步骤S3具体包括：将计算得到的单轴旋转载体的转轴姿态代入方程(5-1)，可以得到如下方程：进一步的，由于引入转轴分量的倒数，当转轴太小时，计算得到的转角将失真；在实际应用中灵活设置转轴的阈值ξr；根据转轴阈值ξr，定义三个增益系数：至此，单轴旋转载体的转角计算公式为：与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1、本专利技术提出了一种单轴旋转载体转轴转角的惯性测量方法，利用惯性测量设备输出的姿态，用于实现灵活方便、高效准确、不受环境影响的高精度转轴转角测量。2、本专利技术测量方法允许将惯性测量设备以任意方式固定于单轴旋转载体表面的任意位置，省去了繁琐的设备安装。惯性测量设备可以通过蓝牙、WiFi等方式将惯性测量设备的实时姿态输出到计算机中，使得测量不受环境限制。计算机可以根据惯性测量设备实时输出的姿态信息，利用本专利技术提出的轴角解算方式，经过求解，得到单轴旋转载体的转轴和转角信息。3、本专利技术基于惯性测量设备的单轴旋转载体转轴转角测量方法，极大简化了测量过程，测量精度仅取决于惯性测量设备的姿态输出精度，在很大程度上提高了单轴旋转载体的转轴转角测量精度。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为本专利技术提出的单轴旋转载体转轴转角惯性测量方法的系统结构图。图2为本专利技术提出的的惯性测量设备的组成结构示意图。图3为本专利技术提出的的单轴旋转载体转轴转角测量原理图。其中，1、旋转载体的任意平面；2、旋转载体的旋转轴；3、惯性测量设备；4、计算机。具体实施方式：下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单轴旋转载体转轴转角惯性测量系统，其特征在于，包括惯性测量设备和计算机，所述惯性测量设备包括微处理器，和与微处理器电信号连接的三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计；惯性测量设备还具有固定端，惯性测量设备通过固定端固定设置在旋转载体的任一平面的任一位置上；/n惯性测量设备与计算机通讯连接；/n计算机用于根据惯性测量设备的姿态信息解算旋转载体的转轴转角。/n

【技术特征摘要】
1.一种单轴旋转载体转轴转角惯性测量系统，其特征在于，包括惯性测量设备和计算机，所述惯性测量设备包括微处理器，和与微处理器电信号连接的三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计；惯性测量设备还具有固定端，惯性测量设备通过固定端固定设置在旋转载体的任一平面的任一位置上；
惯性测量设备与计算机通讯连接；
计算机用于根据惯性测量设备的姿态信息解算旋转载体的转轴转角。


2.如权利要求1所述的单轴旋转载体转轴转角惯性测量系统，其特征在于，所述惯性测量设备还包括通信组件和电源组件。


3.如权利要求2所述的单轴旋转载体转轴转角惯性测量系统，其特征在于，电源组件为微处理器、三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计和通信组件供电；通信组件用于将惯性测量设备解算得到的姿态信息通过串口、网线、蓝牙和WiFi方式传输到计算机。


4.如权利要求1-3所述的单轴旋转载体转轴转角惯性测量系统的测量方法，其特征在于，步骤包括：
S1、惯性测量设备与单轴旋转载体的任一平面的任一位置固定连接；
S2、根据惯性测量设备输出的姿态信息计算单轴旋转载体的转轴姿态信息；
S3、根据计算得到的转轴姿态信息和惯性测量设备输出的姿态信息计算单轴旋转载体的转角信息。


5.根据权利要求4所述的单轴旋转载体转轴转角惯性测量方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：O1X1Y1Z1为旋转载体的所在的坐标系；O2X2Y2Z2为惯性测量设备自身的参考坐标系；假设旋转载体绕旋转轴r＝[rxryrz]T做逆时针旋转运动，逆时针转动时的角度为正；由于惯性测量设备固定于载体表面上，惯性测量设备从第一位置顺时针运动到第二位置所转过的角度θ即为所求的单轴旋转载体的转角θ。


6.根据权利要求5所述的单轴旋转载体转轴转角惯性测量方法，其特征在于，设惯性测量设备在第一位置处时输出的姿态信息为四元数q1＝[q11q12q13q14]T，惯性测量设备在第二位置处时输出的姿态信息为四元数q2＝[q21q22q23q24]T...

【专利技术属性】
技术研发人员：田新诚，孙玉杰，徐小龙，马昕，宋锐，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37