一种基于5G移动通讯的远程倾角测量系统及方法

技术领域

本发明涉及5G移动通讯技术领域，特别是涉及种基于5G移动通讯的远程倾角测量系统及方法。

背景技术

2019年6月,工信部向中国移动、中国电信、中国联通和中国广电四家企业发放5G牌照,中国正式步入5G商用元年,5G商用进程全面加速推进，5G作为第五代移动通信技术,其高带宽、低延迟、广连接的特征。现有大部分倾角测量设备都为手持式终端，需要人工操作，无法做到远程部署和实时监控，少量的基于物联网的远程倾角测量设备存在延时大、测量频率低、易受干扰等问题。同时，现有大部分倾角测量设备需要和被测对象旋转轴平行或者垂直，对安装精度要求较高。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术的不足，提供一种基于5G移动通讯的远程倾角测量系统及方法，该系统及方法可通过5G移动通信网络远程对飞机舵面等平面的倾斜角度进行测量并实时监控角度变化。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于5G移动通讯的远程倾角测量系统，包括角度测量模块、5G通讯模块和电源模块三个部分。角度测量模块用于测量平面倾斜角度；5G通讯模块用于将角度测量模块的测量结果通过5G移动通讯网络发送到云服务器并接受控制指令，角度测量模块和5G通讯模块通过USB线缆连接；电源模块用于给角度测量模块和5G通信模块供电。

进一步，所述的角度测量传感器包括6轴惯性传感器和微处理器；所述6轴惯性传感器包括3轴加速度计和三轴陀螺仪；惯性传感器用于获取X、Y、Z三轴的加速度和角速度；微处理器用于实时处理惯性传感器数据，并利用加速度和角速度获得被侧面的倾斜角度和旋转轴。与此同时，微处理器将测量结果组成测量数据帧通过USB线缆发送给5G通讯模块并接受来自5G通讯模块控制指令帧。

进一步，所述角度测量模块中惯性传感器与微处理器之间采用SPI协议通信，微处理器通过SPI协议和惯性传感器通信，通过USB2.0协议与5G通讯模块通信。

进一步，所述角度测量模块中微处理器使用FIR滤波器对从惯性传感器获得的原始数据进行预处理，使用零速检测算法和变参数PI互补滤波算法融合角速度和加速度数据得到被测平面的倾斜角度和旋转轴，具有鲁棒性强、响应速度快的优点。

进一步，微处理器向5G通讯模块通信发送的测量数据帧包括：起始字段、ID字段、数据字段和结束字段。起始字段用于标定数据帧开始；ID字段用于表示角度测量传感器的ID；数据字段用于承载角度测量信息、电量等信息；结束字段用于标定数据帧结束。

进一步，微处理器从5G通讯模块通信接受的控制指令帧包括：起始字段、指令字段和结束字段。起始字段用于标定控制指令帧开始；指令字段用于承载控制指令，包括但不限于停止/开始发送数据帧、进入/退出待机状态；结束字段用于标定控制指令帧结束。

进一步，所述5G通讯模块支持TCP、UDP等多种网络协议，兼容4G移动通讯网络，具有数据透传功能，能够接受来自角度测量模块的数据并转发至云服务器，同时接受远程控制指令并转发给角度测量模块。

进一步，5G通讯模块包括5G无线数据终端、5G SIM卡和微型电脑，5G SIM卡于5G无线数据终端内部，5G无线数据终端和微型电脑通过USB线缆连接，采用USB3.0协议通信。

进一步，所述电源模块包括锂电池、稳压电路和充电电路，根据是否接入外部电源自行选择工作模式。

一种基于5G移动通讯的远程倾角测量方法，采用本发明系统进行操作，操作步骤如下：

1)设置ID号和网络通讯协议；

2)安装于被测平面上

3)角度测量模块初始化：包括初始化外设、初始化IMU、初始化滤波器参数、静置去陀螺仪零漂；

4)角度测量模块获取旋转角度，组成测量数据帧；

5)5G通讯模块将测量数据帧发送至云服务器；

6)通过上位机获取角度测量结果。

本发明与现有技术相比具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：

1.本发明提供了一种基于5G移动通讯的远程倾角测量系统及方法，通过5G移动通信网络远程对飞机舵面等平面的倾斜角度进行测量，可以远程部署、远程控制，能够长时间实时对被测目标进行监控，可以同时控制多台设备，极大地减轻了人力需求；

2.本发明通信全部采用高速通信协议，测量响应速度快，延时低，抗干扰能力强，具有较强的鲁棒性和实时性。本发明可以测量旋转轴和旋转角度，安装时不需要严格和被测面平行或垂直，极大地减轻了安装成本。

附图说明

图1是本发明的总体框图。

图2是本发明中角度测量模块获得角度的流程图。

图3是一个实例中5G远程角度测量设备的结构示意图。

图4是一个实例中多个5G远程角度测量设备应用示意图。

图5是一个实例中飞机舵面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细说明。此处描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

实施例一：

参见图1，本基于5G移动通讯的远程倾角测量系统，包括：角度测量模块2、5G通讯模块3和电源模块1；其特征在于：所述角度测量模块2用于测量平面倾斜角度和旋转轴；所述5G通讯模块3用于将角度测量模块2的测量结果通过5G移动通讯网络发送到云服务器并接受控制指令；所述角度测量模块2和5G通讯模块3通过USB线缆连接；所述电源模块1用于给角度测量模块2和5G通信模块3供电。

本实施例基于5G移动通讯的远程倾角测量系统，通过5G移动通信网络远程对飞机舵面等平面的倾斜角度进行测量并实时监控角度变化。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

参见图1-图5，所述角度测量模块2包括6轴惯性传感器2-1、以及微处理器2-2；所述6轴惯性传感器包括3轴加速度计和三轴陀螺仪；所述惯性传感器2-1用于获取X、Y、Z三轴的加速度和角速度；所述微处理器2-2用于实时处理惯性传感器数据得到被侧面的倾斜角度和旋转轴，同时通过USB线缆向5G通讯模块3发送测量数据帧、接受控制指令帧。

所述角度测量模块2中惯性传感器2-1与微处理器2-2之间采用SPI协议通信，微处理器2-2与5G通讯模块3之间采用USB2.0协议通信。

所述角度测量模块2中微处理器2-2使用FIR滤波器对从惯性传感器2-1获得的原始数据进行预处理，使用零速检测算法和变参数PI互补滤波算法融合角速度和加速度数据得到被测平面的倾斜角度和旋转轴。

图2展示了角度测量模块的具体工作流程，首先，微控制器首先初始化SPI、定时器、串口等相关外设。第二步，通过SPI对惯性传感器相关寄存器进行操作，配置测量范围等参数，对其进行初始化。第三步，初始化PI互补滤波器，设定相关参数。第四步，在传感器静止状态下读取惯性传感器各轴角速度1000次，获得角速度零漂。第五步，开启定时器中断，间隔时间为1ms。在定时器中断服务函数中，首先读取惯性传感器原始数据，减去角速度零漂之后，使用FIR低通滤波器对各轴角速度和加速度进行滤波。之后利用零速检测算法检测被测平面是否停止旋转，若停止旋转，则使用静态PI互补滤波器参数，否则使用动态PI互补滤波器参数。最后使用PI互补滤波器将角速度和加速度融合，得到最终的角度测量值，通过USB发送至5G通讯模块。

所述角度测量模块2的测量数据帧包括：

起始字段，用于标定数据帧开始；ID字段，用于表示角度测量模块的ID；

数据字段，用于承载角度测量结果、电量等信息；

结束字段，用于标定数据帧结束。

所述角度测量模块2的控制指令帧包括：

起始字段，用于标定控制指令帧开始；

指令字段，用于承载控制指令，包括但不限于停止/开始发送数据帧、进入/退出待机状态；

结束字段，用于标定控制指令帧结束。

所述角度测量模块2中微处理器2-2包括但不限于STM32、DSP。

所述5G通讯模块3支持TCP、UDP多种网络协议，兼容4G移动通讯网络，具有数据透传功能。

所述5G通讯模块3包括5G无线数据终端3-2、5G SIM卡和微型电脑3-1，5G SIM卡于5G无线数据终端3-2内部，5G无线数据终端3-2和微型电脑3-1通过USB3.0协议连接。

所述5G通讯模块3中的微型电脑3-1包括但不限于RK3328、树莓派，5G无线数据终端3-2包括但不限于华为MH5000模组。

所述电源模块包括锂电池、稳压电路和充电电路，可以根据是否接入外部电源自行选择工作模式。

本实施例基于5G移动通讯的远程倾角测量系统，通过5G移动通信网络远程对飞机舵面等平面的倾斜角度进行测量，可以远程部署、远程控制，能够长时间实时对被测目标进行监控，可以同时控制多台设备，极大地减轻了人力需求；本实施例通信全部采用高速通信协议，测量响应速度快，延时低，抗干扰能力强，具有较强的鲁棒性和实时性。本发明可以测量旋转轴和旋转角度，安装时不需要严格和被测面平行或垂直，极大地减轻了安装成本。

实施例三：

本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：

一种基于5G移动通讯的远程倾角测量系统，包括角度测量模块2、5G通讯模块3和电源模块1。对于角度测量模块2，采用ADIS16465作为惯性传感器2-1提供三轴角速度和三轴加速度原始数据，选择STM32F103C8T6作为微控制器2-2；对于5G通讯模块3，采用RK3328芯片作为微型电脑3-1，采用华为MH5000模组作为5G移动数据终端3-2，采用移动5G SIM卡。电源模块1将锂电池电压稳定在5V给5G通讯模块3供电，稳定在3.3V给角度测量模块2供电。

角度测量模块2使用USB2.0线缆和5G通讯模块3中微型电脑连接，5G移动数据终端3-2采用USB3.0线缆和微型电脑3-1连接。本实例中，图3展示了将三个模块和外壳组成5G远程角度测量设备的结构图。

实施例四：

本实施例与上述实施例基本相同，特别之处如下：

本实施例能够通过一台手持显示终端实时采集、显示、记录、分析多个5G远程角度测量设备的测量结果，对每个5G远程角度测量设备进行功能控制。

飞机上主要操控舵面有30多处，可将所有需测量校准的舵面上均安装5G远程角度测量设备，使用运行发明所述上位机的手持显示终端，连接5G网络即可对多个5G远程角度测量设备进行监测、控制，可以方便快捷的对飞机所有舵面进行整体分析，生成测量报告。

初次使用5G远程角度测量设备，需要将对5G通讯模块进行配置。首先设置设备ID号，之后设置访问云服务器的协议，如TCP/IP和UDP/IP，若选择TCP/IP还应设定是服务器还是客户端。

5G远程角度测量设备通过选定的通讯方式发送到云服务器的测量数据帧包括以下四个字段：

起始字段：用于标定数据帧开始。

ID字段：用于表示角度测量传感器的ID。

数据字段：用于承载角度信息、电量、信号强度等信息。

结束字段：用于标定数据帧结束。

5G远程角度测量设备通过选定的通讯方式接受到云服务器发送的控制指令帧包括以下三个字段：

起始字段：用于标定控制指令帧开始。

指令字段：用于承载控制指令，包括但不限于停止/开始发送数据帧、进入/推迟待机状态。

结束字段：用于标定控制指令帧结束。

5G远程角度测量设备接收到指令后将执行相应的功能操作。

本实施例基于5G移动通讯的远程倾角测量方法，通过5G移动通信网络远程对飞机舵面等平面的倾斜角度进行测量，可以远程部署、远程控制，能够长时间实时对被测目标进行监控，可以同时控制多台设备，极大地减轻了人力需求。

实施例五：

本实施例还包括界面简洁友好的上位机。该上位机包括基于PHP实现的网页应用和基于QT实现的windows应用两个方案，两者功能相同，可根据实际情况在笔记本电脑和平板等手持显示终端上运行。

所述上位机远程从云服务器获取测量数据帧之后，将其解析，可以获得5G远程角度测量设备的测量数据、ID、电量、无线信号强度等数据。上位机根据获得数据帧内的ID，将数据分别在对应的窗口可视化，绘出实时角度变化曲线。

上位机能够灵活地远程控制单个或多个5G远程角度测量设备，具有“启动”、“接通”、“断开”、“运行”、“停止”等控制功能按钮，点击相应地功能按钮，上位机将会发送控制指令帧给指定的5G远程角度测量设备。

注意，以上所述仅为本发明的较佳实施例及所用技术原理。本发明不限于这里所述的特定实施例，在不脱离本发明技术原理的前提下，对本技术领域进行的变型、重新调整和改进，也应视作本发明的保护范围。