一种空间转动角度测量方法技术

本发明专利技术属于通用测量方法领域，涉及一种空间转动角度测量方法一种空间转动角度测量方法，包括步骤S1，在刚体表面固定安装MEMS三维姿态传感器；步骤S2，构造刚体绕轴转动的世界坐标系S，得出角度计算公式；步骤S3，建立传感器坐标系T，测得MEMS三维姿态传感器在传感器坐标系T中转动起始位置和终止位置的欧拉角，并计算转动起始位置和终止位置传感器的三轴单位坐标向量；步骤S4，计算刚体空间转动角度，本发明专利技术可用于测量空间旋转轴在任意位置的转角，无需找到旋转轴，其对安装位置也无要求，避免了安装误差，适用性强，测量方式简单、成本低，易于实现自动化测量以及基于本方法得产品量产。量产。量产。

【技术实现步骤摘要】
一种空间转动角度测量方法


[0001]本专利技术属于通用测量方法领域，具体涉及一种空间转动角度测量方法。

技术介绍

[0002]在工业的各个领域都有对定轴转动角度测量的要求，例如在飞机舵面转角、机械臂转角以及转台角度等。转角测量的方法主要有机械式、电磁式、光学式等，他们的工作原理和适用范围不尽相同。电磁式和机械式一般均为为手工测量，且需要找到其旋转轴，使测量精度受到限制，不容易实现自动化，光学法也有其适用范围。以飞机舵面转角测量为例，目前在地面安装调整试验阶段，一般采用倾角仪测量水平舵面的转角，此方法在舵面转轴与水平面不平行或倾角仪轴线安装与不平行时，存在测量误差。在测量垂直舵面时一般采用机械式方法或测量舵面某一点转动轨迹的弦长，这些测量方法存在安装及测量误差。在测量其他非水平和垂直舵面转角时，目前有一种采用双轴倾角仪的方法，其测量范围也有限制，转轴近似垂直地面时测量误差较大。目前在各种情况下测量方法并不通用和统一。
[0003]随着MEMS技术的发展，三维姿态传感器发展迅速，它包含三轴陀螺仪、三轴加速度计，三轴电子罗盘等运动传感器。某些场合已经开始使用MEMS姿态传感器测量旋转角度，其测量结果值的漂移问题也在逐步被优化，因其体积小、成本低、测量范围广、通用性强的优点，MEMS姿态传感器应用越来越广。但直接使用MEMS姿态传感器测量转角，也必须找到其旋转轴，也存在安装误差，使其在转角测量领域也受到一定限制。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的：本专利技术目的在于提供一种测量转角的方法，用以解决目前一些测量方法通用性不强、适用范围有限、受安装误差影响等弊端，本方法基于MEMS三维姿态传感器，无需找到其旋转轴，且只需将传感器在刚体任意位置固定，测量转动前、后的欧拉角，即可解算测得转动角度。
[0005]本专利技术的技术方案：
[0006]一种空间转动角度测量方法，包括以下步骤：
[0007]步骤S1，在刚体表面固定安装MEMS三维姿态传感器；
[0008]步骤S2，构造刚体绕轴转动的世界坐标系S，得出角度计算公式；
[0009]步骤S3，建立传感器坐标系T，测得MEMS三维姿态传感器在传感器坐标系T中转动起始位置和终止位置的欧拉角，并计算转动起始位置和终止位置传感器的三轴单位坐标向量；
[0010]步骤S4，计算刚体空间转动角度。
[0011]进一步，步骤S1具体是，在刚体上选取测量点，该选取点位于刚体表面的任意位置，在选取的点处安装MEMS三位姿态传感器，使MEMS三位姿态传感器于刚体之间处于固定连接状态。
[0012]进一步，步骤S2具体包括以下步骤：
[0013]步骤S21，根据构建的世界坐标系S，建立MEMS三维姿态传感器转动初始位置传感器的三轴单位向量坐标系，再根据转动初始位置传感器的三轴单位向量坐标系构造矩阵D
s1
，同理，根据构建的世界坐标系S，建立MEMS三维姿态传感器转动终止位置传感器的三轴单位向量坐标系，再根据转动终止位置传感器的三轴单位向量坐标系构造矩阵D
s2
；
[0014]步骤S22，根据步骤S21构造的矩阵D
s1
、D
s2
计算MEMS三维姿态传感器从转动初始位置到转动终止位置的旋转矩阵R；
[0015]步骤S23，根据步骤S22计算得到的R，构建角度计算公式。
[0016]进一步，步骤S21中，基于构建的世界坐标系S，转动初始位置传感器的三轴单位向量坐标系为p
S1
u
S1
v
S1
w
S1
，构造矩阵D
s1
：
[0017]其中，为转动起始位置传感器的三轴单位坐标向量；x
uS1
‑
x
pS1
，y
uS1
‑
y
pS1
，z
uS1
‑
z
pS1
为转动起始位置传感器的三轴单位坐标向量在世界坐标系S中x，y，z轴的分量；x
vS1
‑
x
pS1
，y
vS1
‑
y
pS1
，z
vS1
‑
z
pS1
为转动起始位置传感器的三轴单位坐标向量在世界坐标系S中x，y，z轴的分量；x
wS1
‑
x
pS1
，y
wS1
‑
y
pS1
，z
wS1
‑
z
pS1
为转动起始位置传感器的三轴单位坐标向量在世界坐标系S中x，y，z轴的分量；
[0018]转动终止位置传感器的三轴单位向量坐标系为p
S2
u
S2
v
S2
w
S2
，构造矩阵D
s2
：
[0019][0020]其中，为转动终止位置传感器的三轴单位坐标向量；x
uS2
‑
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，y
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，z
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‑
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为转动终止位置传感器的三轴单位坐标向量在世界坐标系S中x，y，z轴的分量；x
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‑
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，y
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为转动终止位置传感器的三轴单位坐标向量在世界坐标系S中x，y，z轴的分量；x
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‑
x
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，y
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pS2
，z
wS2
‑
z
pS2
为转动终止位置传感器的三轴单位坐标向量在世界坐标系S中x，y，z轴的分量。
[0021]进一步，步骤S22中，根据以下公式计算MEMS三维姿态传感器从转动初始位置到转动终止位置的旋转矩阵R；
[0022]，其中θ为刚体绕轴转动时从初始位置到终止位置转过的角度。
[0023]进一步，步骤S23中，取MEMS三维姿态传感器从转动初始位置到转动终止位置的旋转矩阵R的迹可得到：
[0024][0025]则角度计算公式为：
[0026][0027]进一步，步骤S3，建立传感器坐标系T，MEMS三维姿态传感器在传感器坐标系T中转动起始位置和终止位置的欧拉角分别为(γ1,β1,α1)和(γ2,β2,α2)；
[0028]转动起始位置传感器的三轴单位坐标向量为：即
[0029][0030]上述公式变形后得到：
[0031][0032][0033][0034]转动终止位置传本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空间转动角度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，在刚体表面固定安装MEMS三维姿态传感器；步骤S2，构造刚体绕轴转动的世界坐标系S，得出角度计算公式；步骤S3，建立传感器坐标系T，测得MEMS三维姿态传感器在传感器坐标系T中转动起始位置和终止位置的欧拉角，并计算转动起始位置和终止位置传感器的三轴单位坐标向量；步骤S4，计算刚体空间转动角度。2.根据权利要求1所述的一种空间转动角度测量方法，其特征在于，步骤S1具体是，在刚体上选取测量点，该选取点位于刚体表面的任意位置，在选取的点处安装MEMS三位姿态传感器，使MEMS三位姿态传感器于刚体之间处于固定连接状态。3.根据权利要求1所述的一种空间转动角度测量方法，其特征在于，步骤S2具体包括以下步骤：步骤S21，根据构建的世界坐标系S，建立MEMS三维姿态传感器转动初始位置传感器的三轴单位向量坐标系，再根据转动初始位置传感器的三轴单位向量坐标系构造矩阵D
s1
，同理，根据构建的世界坐标系S，建立MEMS三维姿态传感器转动终止位置传感器的三轴单位向量坐标系，再根据转动终止位置传感器的三轴单位向量坐标系构造矩阵D
s2
；步骤S22，根据步骤S21构造的矩阵D
s1
、D
s2
计算MEMS三维姿态传感器从转动初始位置到转动终止位置的旋转矩阵R；步骤S23，根据步骤S22计算得到的R，构建角度计算公式。4.根据权利要求3所述的一种空间转动角度测量方法，其特征在于，步骤S21中，基于构建的世界坐标系S，转动初始位置传感器的三轴单位向量坐标系为p
S1
u
S1
v
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w
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，构造矩阵D
s1
：其中，为转动起始位置传感器的三轴单位坐标向量；x
uS1
‑
x
pS1
，y
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‑
y
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，z
uS1
‑
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为转动起始位置传感器的三轴单位坐标向量在世界坐标系S中x，y，z轴的分量；x
vS1
‑
x
pS1
，y
vS1
‑
y
pS1
，z
vS1
‑
z
pS1
为转动起始位置传感器的三轴单位坐标向量在世界坐标系S中x，y，z轴的分量；x
wS1
‑
x
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，y
wS1
‑
y
pS1
，z
wS1
‑
z
pS1
为...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨敏，曹琦，刘颖，曲泽平，
申请(专利权)人：中航通飞华南飞机工业有限公司，
类型：发明
国别省市：