专利名称：运动平台上重力方向确定方法
技术领域：
本发明涉及一种重力方向确定方法，特别是运动平台上重力方向确定方法。
背景技术：
重力摆可以敏感重力的方向，但在具有加速度和姿态变化的运动平台上，重力摆感受到的 是重力加速度和平台加速度的合成加速度，因此当重力摆平衡时将无法正确指示出真实重力方 向。加速度计可以用来测量运动平台在空间中所受到的合成加速度矢量，但是加速度计无法区 分出重力和惯性力。因此单独使用重力摆或者加速度计不能完全的实时确定出重力方向。
文献"专利号是2005300196A的日本发明专利"公开了一种利用重力摆和加速度计测量倾 角的装置和倾角测量方法。但是这种方法只适用于测量具有平动的运动平台的倾角或斜面倾斜 角，而不能应用于姿态发生变化的运动平台。实质上只能用于一个方向上的倾角测量，并且测 量平面必须在铅垂面内。 一旦运动平台出现两个方向的姿态倾斜时，重力摆平衡时指示的是重 力的分量而不是真实重力方向，因此该专利将无法准确测量出平台的倾斜角。
发明内容
为了克服现有技术只能对静止平台上倾角的进行测量的不足，本发明提供一种运动平台 上重力方向确定方法，在具有两个方向姿态变化的运动平台上利用重力摆和加速度计实时确定 重力方向或者测量运动平台的俯仰角和滚转角。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案 一种运动平台上重力方向确定方法，其特 点是包括下述步骤 .
(a) 在运动平台的俯仰平面和滚转平面分别安装两个重力摆，两个重力摆分别敏感重力 在运动平台的俯仰平面内的投影g，和滚转平面内的投影g，，测量重力摆相对于运动平台的
偏转角；
(b) 沿运动平台的俯仰轴、滚转轴、偏航轴各安装一个三轴加速度计，测量运动平台的 合成加速度在三轴上的分量加速度"x 、加速度ay和加速度az;
(c) 在运动平台运动时，测量三轴加速度计的输出加速度^、加速度^和加速度^， 以及俯仰平面内重力摆的摆角《。y和偏航平面内重力摆的摆角《。z ;
(d) 根据角度关系，利用加速度a、加速度^和加速度^计算出俯仰平面和滚转平面 内合成加速度分量a"和加速度分量a^，以及加速度a、加速度^和加速度^与运动平台 的夹角(e) 根据重力摆的摆长/、质量m和阻尼f建立重力摆的衰减振动方程，以及重力摆与 运动平台夹角的变化方程；
(f) 设置初值，利用非线性滤波方法获得俯仰平面和滚转平面内等效重力与平台的夹角
。JCO少、 7戸*
(g)根据函数表达式
扁in
P"戸-脇in2g.
.sin(6>，+ )
+"z
sin(9戸+"戸)
S ，
获得运动平台的俯仰角;5和滚转角p 。
本发明的有益效果是由于在运动平台的俯仰和滚转平面内安装两个重力摆和三个轴向
加速度计，通过几何方法和滤波算法，在具有姿态变化的运动平台同时测量平台的俯仰角和 滚转角，或者确定重力方向。该方法不仅适用于静止和平动的运动平台，也适用于具有姿态 变化的静止和运动平台上重力方向确定或者平台俯仰角和滚转角测量。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
图1是本发明方法中俯仰平面内重力摆偏转的几何示意图。
图2是本发明方法中滚转平面内重力摆偏转的几何示意图。. 图3是本发明方法中运动平台上重力摆和加速度计摆放位置示意图。 图4是本发明方法中运动平台上俯仰平面内重力摆偏转的几何示意图。 图中，l-运动平台，2-加速度计，3-重力摆。
具体实施例方式
参照图1 4。两个重力摆3分别安装在运动平台1的俯仰平面xo;;和滚转平面;;oz内。 俯仰平面内的重力摆测量的为俯仰角y5;滚转平面内的重力摆测量的为滚转角p。俯仰平面 为xoy，滚转平面为；;oz。重力在俯仰平面的投影为g;^^g《OS^;在滚转平面的投影为
g， =g'cos/ 。
两个重力摆3的参数相同，其摆杆长/ = 0.010m ，摆锤质量m = O.OIO紐，阻尼系数s = 0.1 。 重力摆的电位计角传感器测角精度为0.r(3a) ， MEMS加速度传感器的测量精度为0.1m/ (3o")。运动平台1移动时俯仰角以y9 = 30°COs(4;i2/500)变化，滚转角以 p-45。cos(4;r2/500)变化，且运动平台1具有:c轴方向的加速度fl = 10 。
在运动平台1的X轴、Y轴和Z轴上分别安装三轴加速度计2，分别测量三轴的加速度。 测量值分别为^、 和"2。
运动平台1在俯仰平面内，沿纵轴以加速度a做加速运动，其在俯仰平面内的合成加速
度为V《+《。合成加速度与水平面的夹角"，=arctan(X/ )。
俯仰平面内的重力摆3受到运动平台jc轴方向上加速度"的影响，所感受的等效重力加 速度g'为a和投影在俯仰平面xo少内的重力加速度g，的合成，该等效重力加速度g'表达式 为
sin( + / )
俯仰平面内的重力摆3上的角度传感器测量出重力摆摆杆和与平台y轴之间的偏转角^ 。 但是^中耦合了重力摆的振荡角《，测量需要得到重力摆平衡位置和运动平台之间的夹角《， 可采用非线性滤波技术去除《。重力摆摆杆相对于其平衡位置的振荡角《满足单摆的衰减振
动方程。选取状态量i, =[3A]7,则状态方程的形式为
义l =
假设平台运动引起的《是一个平缓变化过程，即》2 0，则列写成状态空间的形式，如
下所示 '
义2
—4——0r+—0—
成0041
S,夂《,4为状态变量。观测量为重力摆与运动平台的测量夹角0。通过EKF非线性滤波技 术就可以实时估计出4 。从而减小了测量值中单摆衰减振荡角的影响。
根据^a〗+《、a、《以及g，之间的几何关系，就可解算出运动平台与水平面之间的 夹角，即俯仰角/ :
/ =々2 - arcsin
2g义
.sin(々2 + a)
在计算重力在俯仰平面内的投影时，需要用到滚转角；计算重力在滚转平面内的投影时，需要用到俯仰角。同理根据上述步骤建立滚转平面内的角度关系方程，滤波的时候采用递归 的方法，可以同时递推计算出俯仰角和滚转角，从而在具有两个方向姿态变化的运动平台上 确定了真实的重力方向。
通过仿真计算可得，运动平台1运动时对重力方向的确定角精度小于0.05。。
权利要求
1、一种运动平台上重力方向确定方法，其特征在于包括下述步骤(a)在运动平台的俯仰平面和滚转平面分别安装两个重力摆，两个重力摆分别敏感重力在运动平台的俯仰平面内的投影gxoy和滚转平面内的投影gyoz，测量重力摆相对于运动平台的偏转角；(b)沿运动平台的俯仰轴、滚转轴、偏航轴各安装一个三轴加速度计，测量运动平台的合成加速度在三轴上的分量加速度ax、加速度ay和加速度az；(c)在运动平台运动时，测量三轴加速度计的输出加速度ax、加速度ay和加速度az，以及俯仰平面内重力摆的摆角θxoy和偏航平面内重力摆的摆角θyoz；(d)根据角度关系，利用加速度ax、加速度ay和加速度az计算出俯仰平面和滚转平面内合成加速度分量axoy和加速度分量ayoz，以及加速度ax、加速度ay和加速度az与运动平台的夹角αxoy、αyoz；(e)根据重力摆的摆长l、质量m和阻尼ε建立重力摆的衰减振动方程，以及重力摆与运动平台夹角的变化方程；(f)设置初值，利用非线性滤波方法获得俯仰平面和滚转平面内等效重力与平台的夹角(g)根据函数表达式<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>β</mi><mo>=</mo><msub> <mover><mi>θ</mi><mo>^</mo> </mover> <mi>xoy</mi></msub><mo>-</mo><mi>arcsin</mi><mo>[</mo><mfrac> <mrow><mo>|</mo><msqrt> <msup><msub> <mi>a</mi> <mi>x</mi></msub><mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup><msub> <mi>a</mi> <mi>y</mi></msub><mn>2</mn> </msup></msqrt><mo>|</mo> </mrow> <mrow><mn>2</mn><msub> <mi>g</mi> <mi>xoy</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>·</mo><mi>sin</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mover> <mi>θ</mi> <mo>^</mo></mover><mi>xoy</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub><mi>α</mi><mi>xoy</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow>]]></math></maths>获得运动平台的俯仰角β和滚转角 id="icf0004" file="A2009100218040002C4.tif" wi="5" he="3" top= "210" left = "82" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>
全文摘要
本发明公开了一种运动平台上重力方向确定方法，在运动平台的俯仰平面和滚转平面分别安装两个重力摆，两个重力摆分别敏感重力在运动平台的俯仰平面内的投影g<sub>xoy</sub>和滚转平面内的投影g<sub>yoz</sub>，测量重力摆相对于运动平台的偏转角。沿运动平台的俯仰轴、滚转轴、偏航轴各安装一个三轴加速度计，测量运动平台的合成加速度在三轴上的分量加速度a<sub>x</sub>、加速度a<sub>y</sub>和加速度a<sub>z</sub>，通过几何方法和滤波算法，在具有姿态变化的运动平台同时测量平台的俯仰角和滚转角，或者确定重力方向。该方法不仅适用于静止和平动的运动平台，也适用于具有姿态变化的静止和运动平台上重力方向确定或者平台俯仰角和滚转角测量。
文档编号G01C9/00GK101526352SQ20091002180
公开日2009年9月9日 申请日期2009年4月1日 优先权日2009年4月1日
发明者卢晓东, 吕春红, 军 周, 郭建国 申请人:西北工业大学