一種全方位電子水平儀的測量算法及實現(xiàn)

1、一種全方位電子水平儀的測量算法及實現(xiàn)何麗平, 王存堂, 吳縉(江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院, 江蘇鎮(zhèn)江212013摘要:介紹了一種根據(jù)單擺原理, 結(jié)合傳感器技術(shù)、單片機技術(shù)設(shè)計而成的全方位電子水平儀。在對其測量原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行介紹的基礎(chǔ)上, 對水平儀進行了運動幾何分析, 推導(dǎo)出三維空間上的測量算法, 并進行了計算分析, 結(jié)果表明該水平儀具有很高的測量精度, 為其工程實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:電子水平儀; 傳感器; 測量中圖分類號:TH712文獻標識碼:A-0060-03作為一種在橋梁架設(shè)、鐵路鋪設(shè)質(zhì)勘探、石油鉆井、臺、, 水平儀平儀。本文介紹一種用于大型船舶螺旋槳靜平衡檢測的全方位電子水平儀, 該水平

2、儀是根據(jù)單擺原理, 結(jié)合傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)設(shè)計而成15; 它能給出平面傾斜的主方向和主方向的方位, 并可進行遙測, 可與全液壓螺旋槳靜平衡儀配套來檢測船用螺旋槳的靜平衡狀態(tài)。本文就該水平儀的精確測量算法進行了理論分析和仿真研究, 為其工程實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。1測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測量原理分析電子水平儀主要由機械結(jié)構(gòu)、傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理及顯示部分組成13。圖1為測 量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理簡圖, 圓盤5可以繞球鉸3擺動, 球鉸3固定在上蓋4的中心, 同時在上蓋的同一圓周上固定兩個夾角為90的位移傳感器2, 在球鉸鏈的下端固定一擺球6, 外殼1作為測量系統(tǒng)的基體, 支撐上蓋4, 并感受被測平面的傾斜

3、角和傾斜方位。當(dāng)該水平儀置于傾斜平面時, 圓盤5在擺球6的作用下始終處于水平狀態(tài), 從而起到測試基準的作用。與外殼1固連的上蓋4及傳感器2則隨被測平面的傾斜而傾斜, 此時傳感器探頭離擺盤的直線距離發(fā)生改變, 輸出相應(yīng)的電信號, 而這種電信, 因此測量算法就成為決定水平測量精度的關(guān)鍵。1外殼;2傳感器;3球鉸;4上蓋;5圓盤;6擺球圖1測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理簡圖2敏感元件運動過程的幾何關(guān)系及測量算法2. 1 運動過程幾何關(guān)系的描述為了測出圓盤空間的最大傾斜角及最大傾斜方位角, 首先應(yīng)進行平面角的測定。根據(jù)幾何學(xué)原理, 兩條相交直線決定一個平面, 因此只需測出圓盤在擺動過程中最具代表性的兩條線的運動情

4、況, 就可推出該平面的運動情況。當(dāng)水平儀恰好以一傳感器所在的直徑方向為主方向時, 在該方向產(chǎn)生最大偏轉(zhuǎn), 由于兩傳感器在上蓋4上垂直分布在同一圓周上, 另一直徑方向上的傳感器的檢測相對位移為零, 而測出主方向所在的方位和最大偏轉(zhuǎn)角則是全方位電子水平儀的關(guān)鍵所在。通常, 在三維空間上, 水平儀的偏轉(zhuǎn)角度可以看成是分別沿兩條直徑方向上轉(zhuǎn)角的疊加, 可以先分別求出2個方向上收稿日期:2008-12-31作者簡介:何麗平(1983- , 女, 湖北咸寧人, 江蘇大學(xué)碩士研究生, 主要研究方向為機電一體化、測控電路設(shè)計。062009年3月中國制造業(yè)信息化第38卷第5期的轉(zhuǎn)角, 再合成主方向的偏轉(zhuǎn)角和所在

5、的方位。2. 2平面偏轉(zhuǎn)角度檢測算法當(dāng)圓盤5擺動的主方向傳感器所在的直徑重合, 并沿此方向往上或往下傾斜, 一個傳感器可以感受出最大傾斜角及相應(yīng)的方位, 由此可得到平面偏轉(zhuǎn)角檢測算法。先假設(shè)沿主方向向上偏轉(zhuǎn)來進行算法推導(dǎo), 圖2為向上偏轉(zhuǎn)示意圖 。圖2向上偏轉(zhuǎn)示意圖O 點為上蓋中心, C 點為球鉸中心, 其中l(wèi) 1為兩中心的距離, l 2為中心到傳感器的距離, h 為傳感器測得數(shù)據(jù), h 3為傳感器探頭的長度, 均為已知量, 表示主方向轉(zhuǎn)角。l 3, l 4, l 5, l 6, l 7, 為未知量, 最后要設(shè)法從已知量中求出。因為OC =O C , CD 為公用線, 所以O(shè)DC 與O DC

6、全等, OCO =, OCD =/2, 利用幾何關(guān)系可以列出以下公式:tan2=l l 1cos =l -l l 2-l 3+l 4tan =l 2-l 4tan =h 3+l 6sin =l 7cos=h 1-h 3-l 5-l 7h 1=h +h 3(1化簡的結(jié)果如下:(l 1-h -h 3 t 2-2l 2t +h +h 3-l 1=0(2上述關(guān)系給出了圓盤向上傾斜時已知的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、測量參數(shù)與傾斜角之間的關(guān)系。同理, 當(dāng)圓盤向下偏轉(zhuǎn)時的示意圖如圖3所示, 由此給出已知的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、測量參數(shù)與傾斜角之間的關(guān)系為:圖3向下偏轉(zhuǎn)示意圖(h +h 3-l 1 t 4-2l 2t 3+ 2(

7、l 1-h -h 3 t 2+2l 2t +h 3+h -l 1=0(3 式中t =tan (/2 。2. 3平面偏轉(zhuǎn)角度檢測算法算例l 1=24mm , h 3=20mm , l 2=50mm 。為了保證偏角初始值為零, h 的初始值應(yīng)為l 1-l 3=4mm , 向上偏轉(zhuǎn)時, 約定傳感器位移在46mm 變化; 向下偏轉(zhuǎn)時, 約定傳感器位移在24mm 變化, 傳感器測量值與傾斜角之間的關(guān)系如圖4所示。圖4向上與向下偏轉(zhuǎn)時h 與角度的關(guān)系可見在小角度情況下, 位移量和傾斜角度有很好的線性關(guān)系。2. 4空間角度檢測算法在實際測量過程中, 偏轉(zhuǎn)主方向往往偏離兩傳感器所在的半徑。在三維空間算法中,

8、選取沿x , y 軸正方向向上偏轉(zhuǎn)的情況為例來進行測量算法16應(yīng)用研究何麗平王存堂吳縉一種全方位電子水平儀的測量算法及實現(xiàn)推導(dǎo)計算, 其他情況與之同理。為了方便計算, 給出了圖5所示的空間算法模型, 在建立空間模型時, 將上頂面平移到與擺平面同心的位置來進行分析, 假設(shè)A , B 為傳感器所在位置 。圖5空間算法模型已知:B O OA , EO O =l 5l 3=O G =l , FOA , 知量, EOC =分別從A , B 點往兩OA , OB 偏轉(zhuǎn)的方向作垂線, 分別取與O F 及OD 的交點F , D 。通過OD , O F 兩線作平面, 此平面即為偏轉(zhuǎn)后的平面。通過O 點作垂直于G

9、H 的線O E , 并過E 點作垂線垂直于下平面, 使之交于半圓的圓弧上C 點, 連接OC , 則EOC =即為二面角。由于點H , B , C , A , G 構(gòu)成半圓, H , D , E , F , G 均為過各點垂線與上平面所交交點, 且兩個平面同心, 可知上平面必為橢圓, 而H , G 的投影點均為自身, 則HG 必為橢圓的軸。因為O E 過O 點且垂直于HG , 且在直角三角形OCE 中, O E OC , 而OC =O G , 所以O(shè) E 為橢圓的長軸, GH 為短軸, 則上平面滿足橢圓公式:2a 2+2b2=1(b =l =O G , a =O E =l 6橢圓如圖6所示。要解

10、出O E , 則需用到D , F兩點坐標, 可求出橢圓的各參數(shù)及表達式:+=90l 1=l 2cos 2l 3=l 4cos 1l 5=l 6cosl 1=l 3=l 5=ll 2 =cos 2l 4=cos 1l 6=cos(4根據(jù)二面角的求法射影法可知, 若多邊形的面積是S , 它在一個平面上的射影圖形面積是S , 則二面角的余弦為:S S FO E =S S DO E=cos(55:sin 1=sin cos 1sin 1=cos cos 2(6如圖6所示, 求出F 及D 點坐標。F 點坐標:x 1=l 4cos 1=l cos 1/cos 1y 1=l 4sin 1=l sin 1/c

11、os 1(7D 點坐標:x 2=l 2cos 1=l cos 1/cos 2y 2=l 2sin 1=l sin 1/cos 2(8將兩點坐標代入橢圓公式可推出:cos 2=2sin 2cos 21sin 2 (9 cos 2=2sin 2cos 21+sin 21 cos 22(10方位角可由式(10 結(jié)果反代入式(9 中求得。在做分析時, 取定兩平面角的變化范圍均為-55。圖7給出了傾斜角與傳感器輸入?yún)?shù)間的關(guān)系?？梢钥闯? 空間算法在小傾角的情況下也具有良好的線性度和對稱性。圖7三維轉(zhuǎn)角示意圖(下轉(zhuǎn)第66頁262009年3月中國制造業(yè)信息化第38卷第5期b. 開放性?？疾炀W(wǎng)站是否具有多種

12、免費通訊工具; 網(wǎng)站是否提供多種交互界面、聯(lián)系方式, 與用戶互通各類相關(guān)信息; 網(wǎng)站功能收費是否符合用戶承受能力。4結(jié)論a. 以用戶為中心, 總結(jié)了網(wǎng)站可用性設(shè)計的特點, 并運用于結(jié)構(gòu)設(shè)計、交互設(shè)計和視覺設(shè)計3個方面, 給出了網(wǎng)站可用性設(shè)計的方法。b. 以用戶體驗為依據(jù), 遵循用戶可用性的基本原則, 從信息內(nèi)容、界面設(shè)計、導(dǎo)航設(shè)計和應(yīng)用條件4個方面構(gòu)架了網(wǎng)站可用性的評價指標體系。通過合理評估, 可以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站設(shè)計問題, 并為改進設(shè)計策略提供依據(jù)。參考文獻:1董建明, 傅利民. 人機交互:以用戶為中心的設(shè)計和評估M .北京:清華大學(xué)出版社,2003.2葉曉峰, 劉記. Web2. 0環(huán)境下的信息構(gòu)

13、建研究(J.圖書、情報、知識,2007(10 :47-50.3陳雅, 鄭建明. 網(wǎng)站評價指標體系研究J.中國圖書館學(xué)報,2002,28(5 :57-60.4池忠仁, 王浣塵. J(1 :140-143.Design and Evalu ation of -Centered, fa(Nanjing , Jiangsu Nanjing , 210016, China Abstract :User -is future development of website. It indicates the basic processes and fea 2tures of website a user -

14、centered usability design and evaluation method based on usability engineering. With the method , website design demands and evaluation indexes are applied taking user experi 2ences into account. It is a feasible and effective way to improve website design.K ey w ords :User -Centered ; Website Desig

15、n ; Usability ; User Experience ; Evaluation Index(上接第62頁3結(jié)束語通過運動分析和仿真可以看出, 在對小傾斜角度進行測量時, 無論是平面測量算法還是空間測量算法都具有良好的線性度和對稱性, 對于保證測量精度具有重要意義。借助該算法, 待測面的傾斜角度和傾斜方位信息可以一次性實時提取, 解決了水平儀測量時的關(guān)鍵問題, 為實際水平儀的研制奠定了理論基礎(chǔ)。參考文獻:1王存堂, 張建國, 陽恩會, 等. 一種全方位數(shù)字式電子水平儀P.中國專利,Z L032224230,2004-07-07.2錢帥杰, 王存堂, 陳毅輝, 等. 新型全方位電子水平儀

16、的設(shè)計及誤差分析J.傳感技術(shù)學(xué)報,2006,19(2 :353-355.3王存堂, 陽恩會, 張建國, 等. 全方位電子水平儀的結(jié)構(gòu)及測量原理分析J.儀器儀表學(xué)報,2006,2(2 :183-185.4張國雄, 金篆芷. 測控電路M .北京:機械工業(yè)出版社,2000.5鮑可進. C8051F 單片機原理及應(yīng)用M . 北京:中國電力出版社,2006.The Measure Algorithm and Implement of Omnidirectional Electronical G radienterHE Li -ping , WAN G Cun -tang , WU Jin (Jiangs

17、u University , Jiangsu Zhenjiang , 212013, China Abstract :According to the principle of single pendulum , it designs a new practical full orientation electronical gradienter based on the technology of sensor and single chip. It introduces the measurement principle and sys 2tem structure , analyzes the movement relationship among the parts of gardiener , deduces a 3D measurement algo