一种三维空间下传感器模块安装误差的校准方法与流程

本发明涉及倾角传感器模块安装之后的校准过程，这种校准方法也适用于空间三维安装的传感器，需要较高测量精度且安装时很难避免微小偏差的传感器。

背景技术

以倾角传感器说明，这类传感器放置于空间中，在不同的放置角度下，每个轴会输出相应角度下的电压值，根据所得的电信号并经过处理器处理，从而得到相应倾角值，广泛应用于工业生产、建筑安全、国防科技等领域。目前此类产品在与水平面垂直方向安装焊接的过程中，尽量保证与水平面的垂直，然而还是无法避免的会存在误差，使得竖轴没有在竖直方向，横轴没有在水平方向，导致最终计算结果的偏差。

传统的校准方法主要采取人工校准，成本高、效率低，精准度也低，显然已经不适合于倾角传感器的校准，现有许多自动校准技术，例如泛华恒兴推出的倾角传感器校准系统，主要基于单轴传感器的校准，无法解决在三维空间中由于安装而导致的倾斜。由煤炭科学研究院发表的关于双轴倾角传感器的算法校正方法，利用误差补偿方式，需要在全范围进行角度测量标定，来得到回归函数，再进行相应补偿，过程复杂，而且这种算法主要补偿校正装置本身的精度和漂移带来的误差，无法很好解决在三维空间中安装倾斜时的误差问题。

技术实现要素：

为了解决空间中传感器模块安装焊接时无法避免出现的倾斜导致的结果不准确，本发明提出了一种三轴倾角传感器模块安装误差的校准方法，采用技术方案具体如下：

一种三维空间下传感器模块安装误差的校准方法，在三维空间直角坐标系下，以x、y轴所在平面p为水平面放置传感器装置s，测得传感器模块t的轴ux与平面p的夹角α，轴uy与平面p的夹角β；以x、z轴所在平面q为水平面放置传感器装置s，测得传感器模块t的轴ux与平面q的夹角由α、β、分别得到轴ux、uy对应的向量通过左乘对应的旋转矩阵得到旋转后的向量便将轴ux校准至z轴的正方向，轴uy校准至y轴的正方向,与的向量积则落在x轴方向。

进一步，所述轴ux对应的向量其中在平面p的投影和x轴正方向的夹角

进一步，所述轴uy对应的向量其中在平面p的投影和y轴正方向的夹角

进一步，所述旋转矩阵

进一步，所述旋转矩阵

进一步，所述

进一步，所述

本发明的有益效果：

本发明解决了三维空间下倾角传感器模块由于安装焊接发生了略微倾斜而引来的误差，降低了对安装精确度的要求，在算法层面进行校正，成本较低，操作过程简便，只需要两次放置传感器装置进行测量即可，实现了更高精度的测量。

附图说明

图1为整体角度示意图；

图2为放置第一次传感器装置s，表示角度α、β的示意图；

图3为放置第二次传感器装置s，表示角度的示意图；

图4为在平面p的投影和x轴正方向的夹角θ示意图；

图5为第一次旋转得到的示意图；

图6为第二次旋转得到的示意图；

图7为和在平面p的投影的夹角γ示意图；

图8为在平面p的投影和y轴正方向的夹角λ示意图；

图9为第一次旋转得到u″y的示意图；

图10为第二次旋转得到的示意图；

图11为校准结果示意图。

具体实施方式

下面将结合附图,对本发明的技术方案作进一步的说明。

在阐述安装校准算法之前，先对所用到的角度及校准目的进行说明：

一、校准目的：所有附图中虚点线框表示整个传感器装置s(由传感器模块t、电池、处理器、显示屏组成，处理器通过检测传感器模块t的数值，并进行数据处理，然后控制显示屏进行显示，电池用于传感器模块t、处理器、显示屏供电，处理器为cpu，型号是msp430)，xyz轴为标准的空间三维坐标轴，小立方体表示倾角传感器模块t(由两个互相垂直的倾角传感器集成而成)，模块的两测量轴为相互垂直的轴ux、uy，两测量轴的向量积为uz，校正的目的就是要把ux校准至z轴、uy校准至y轴，这样两轴得到校准后，整个传感器在空间的安装校准便完成了。

二、角度说明：α、β、通过放置传感器模块t直接得到的，θ、γ、λ通过计算推导得到(为了便于直观观察，附图中的传感器模块t的倾斜程度相比于实际有所夸张，实际情况下安装焊接后，夹角α约89°～90°，夹角β约0°～1°，夹角约0°～1°)：

(1)将图2所示的平面p(x、y轴所在平面)作为水平基准面放置传感器装置s，由于安装误差，传感器模块t的两个测量轴ux、uy会与平面p存在一定的夹角，测量并将轴ux与平面p的夹角记为α，轴uy与平面p的夹角为β；

(2)将图3所示的平面q(x、z轴所在平面)作为水平基准面放置传感器装置s，同样传感器模块t的两轴与平面q会存在一定的夹角，测量并将轴ux与平面q的夹角记为

(3)图4所示的θ是(轴ux对应的向量)在平面p的投影与x轴正方向的夹角，可以由角α、计算得到：

(4)图7所示的γ为和(轴uy对应的向量)分别在平面p的投影之间的夹角，可以由角α、β计算得到：

γ＝cos^-1(-tanα·tanβ)(2)

(5)图8所示的λ为在平面p的投影与y轴正方向的夹角，可以由角γ、θ计算得到：

三、安装校准算法：在明确校准目的和各个角度的意义后，此处对校准算法结合实例进行详细阐述。

设和的长度均为单位1，那么在空间直角坐标系中，可以用向量表示传感器模块t的两个测量轴，将轴ux分解到三个坐标轴x、y、z上，可以得到轴ux的向量表达：

其中：

同样轴uy的向量可以表达为：

其中：

在对两个轴进行向量表达后，便可以进行旋转操作。所有旋转操作，旋转角度的正负均遵循右手坐标系的约定，即大拇指指向旋转轴的正向，其他手指弯曲的方向为正方向；旋转过程通过对向量左乘一个旋转矩阵实现。在三维空间中，如果一个向量分别绕x、y、z轴旋转角度ρx、ρy、ρz，则对应的旋转矩阵分别为

ux轴的校准：要将ux轴校准到z轴方向，需要进行两次旋转操作。先将向量绕z轴进行第一次旋转，使其落入x、z平面，如图4所示。根据旋转方向，可以确定旋转的角度为正，角度大小θ，旋转矩阵为第一次旋转后可以得到如图5所示向量该向量位于x、z轴组成的平面；相似的，再将绕y轴旋转一定的角度，使其落到z轴方向。由于旋转方向是负方向，故旋转角度则旋转矩阵为旋转之后能够得到如图6所示的向量此时位于z轴，通过以上两次旋转操作，ux轴便校准到了z轴方向。

uy轴的校准：同样要对uy轴进行两次旋转操作。首先将向量绕z轴进行第一次旋转，使其处于y、z平面，如图8所示。根据旋转方向，可以确定旋转角度为负，大小为λ，即ρz＝-λ，则旋转矩阵为旋转后得到如图9所示的向量位于y、z轴所组成的平面；再将绕x轴旋转-β角度，旋转矩阵为旋转后得到如图10所示向量此时便位于y轴上。

至此，轴ux、uy校准完成，第三轴方向为校准后两轴的向量积的方向，自然也得到了校正。

综合上述，可以经过计算推导总结为以下过程：

1、经过两次传感器装置s的放置得到三个夹角值α、β、(附图为了便于观察将传感器倾斜程度进行了放大)，并推导出轴ux在平面p上的投影与x轴夹角θ、轴ux与uy在平面p的投影之间的夹角γ、uy在平面p的投影与y轴夹角λ；

2、对轴ux进行旋转，即向量左乘旋转矩阵：

轴ux先围绕z轴旋转、再围绕y轴旋转：

①围绕z轴的旋转方程为：

②围绕y轴的旋转方程为：

③得到

计算可得：

其中

④将向量左乘得到校准到z轴的向量

3、对轴uy进行旋转，即向量左乘旋转矩阵：

轴uy先围绕z轴旋转、再围绕x轴旋转：

①围绕z轴的旋转方程为：

②围绕x轴的旋转方程为：

③得到

计算可得：

其中

④将向量左乘得到校准到y轴的向量

与的向量积便落在x轴方向，由此实现了三维空间下传感器模块的安装校准，如图11所示。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。