基于慣性傳感器的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于慣性傳感器的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)和基于慣性傳感器的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速測量方法，測量系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)速檢測器和顯示終端，轉(zhuǎn)速檢測器內(nèi)設(shè)有加速度計、陀螺儀、第一微處理器、第一無線傳輸模塊和第一供電電池，顯示終端內(nèi)設(shè)有第二無線傳輸模塊、第二微處理器、顯示器和第二供電電池；第一無線傳輸模塊與第二無線傳輸模塊無線連接，加速度計的Z軸和陀螺儀的Z軸均與旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)軸平行。本發(fā)明結(jié)合陀螺儀和加速度計的功能，在旋轉(zhuǎn)體低速轉(zhuǎn)動時，系統(tǒng)自適應(yīng)地根據(jù)陀螺儀的輸出，計算旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)半徑，同時輸出轉(zhuǎn)速，在旋轉(zhuǎn)體高速轉(zhuǎn)動時，系統(tǒng)自適應(yīng)地根據(jù)加速度計輸出的向心加速度，并結(jié)合低速的計算結(jié)果計算處理輸出高速轉(zhuǎn)速。
【專利說明】基于慣性傳感器的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速測量【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于慣性傳感器的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測量方法分為兩大類，一類是基于霍爾效應(yīng)的轉(zhuǎn)速測量，另一類是基于光電反射的轉(zhuǎn)速測量。
[0003]霍爾效應(yīng)測量轉(zhuǎn)速需要在旋轉(zhuǎn)體上安裝磁鐵，并在磁鐵的旋轉(zhuǎn)軌跡上就近安裝霍爾感應(yīng)器件，通過微處理器檢測霍爾感應(yīng)器件輸出的開關(guān)信號來計算轉(zhuǎn)速。通過霍爾效應(yīng)測量轉(zhuǎn)速的方法存在兩點不足，其一是安裝要求高，磁鐵旋轉(zhuǎn)軌跡上就近安裝霍爾器件，距離控制困難，其二是在旋轉(zhuǎn)體低速轉(zhuǎn)速下需要非常多的磁鐵點形成更多的開關(guān)信號，才能有效測量低轉(zhuǎn)速，但是，通過該方法進(jìn)行低轉(zhuǎn)速測量時，需要預(yù)先有效的控制磁鐵數(shù)量和磁鐵霍爾器件的距離，一旦設(shè)計好，轉(zhuǎn)速測量裝置將不能變動，容易限制了轉(zhuǎn)速測量的靈活性。
[0004]光電反射測量轉(zhuǎn)速，是在旋轉(zhuǎn)體上貼上間斷反光條，外部通過光電檢測模塊檢測反光條的反光脈沖來測量轉(zhuǎn)速。通過光電反射測量轉(zhuǎn)速也存在以下兩點不足，其一是反光條貼裝比較麻煩，需要被測旋轉(zhuǎn)體有平行與轉(zhuǎn)動軸的圓面，其二是光電測試檢測端要與反光條平行穩(wěn)定放置，否則測量不穩(wěn)或者根本無法測量。
[0005]傳統(tǒng)的兩者轉(zhuǎn)速測量方法均難以靈活和精準(zhǔn)的測量出旋轉(zhuǎn)體在低轉(zhuǎn)速運動時的轉(zhuǎn)速，同時在測量設(shè)備的安裝上復(fù)雜度高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有轉(zhuǎn)速測量方法存在測量設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易安裝和低轉(zhuǎn)速不易測量的問題，提供了一種可以隨意安裝、結(jié)構(gòu)簡單和具有低、高轉(zhuǎn)速自適應(yīng)測量功能的基于慣性傳感器的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)和于慣性傳感器的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速測
量方法。
[0007]為解決上述問題，本發(fā)明的一種技術(shù)方案是:
[0008]一種基于慣性傳感器的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，包括安裝在旋轉(zhuǎn)體上的轉(zhuǎn)速檢測器和與之進(jìn)行無線通信的顯示終端，所述轉(zhuǎn)速檢測器內(nèi)設(shè)有用于輸出旋轉(zhuǎn)體三軸加速度的加速度計、用于輸出旋轉(zhuǎn)體三軸角速度的陀螺儀、用于控制及進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的第一微處理器、用于數(shù)據(jù)傳送的第一無線傳輸模塊和用于供電的第一供電電池，第一微處理器分別與加速度計、陀螺儀和第一無線傳輸模塊相連，所述顯示終端內(nèi)設(shè)有用于數(shù)據(jù)傳送的第二無線傳輸模塊、第二微處理器、顯示器和用于供電的第二供電電池，第二微處理器分別與顯示器和第二無線傳輸模塊相連；所述轉(zhuǎn)速檢測器中的第一無線傳輸模塊與顯示終端中的第二無線傳輸模塊無線連接，所述加速度計的Z軸和陀螺儀的Z軸均與旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)軸平行。
[0009]優(yōu)選地，所述陀螺儀為三軸微機械陀螺儀，加速度計為三軸微機械加速度計。[0010]優(yōu)選地，所述第一無線傳輸模塊和第二無線傳輸模塊均為2.4G模塊。
[0011]優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)速檢測器內(nèi)還設(shè)有用于顯示轉(zhuǎn)速檢測器運行狀態(tài)的指示模塊，指不模塊分別與第一微處理器和第一供電電池相連。
[0012]相比較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的基于慣性傳感器的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)結(jié)合陀螺儀和加速度計的功能，在旋轉(zhuǎn)體低速轉(zhuǎn)動時，系統(tǒng)自適應(yīng)地根據(jù)陀螺儀的輸出，計算旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)半徑，同時輸出轉(zhuǎn)速，在旋轉(zhuǎn)體高速轉(zhuǎn)動時，系統(tǒng)自適應(yīng)地根據(jù)加速度計輸出的向心加速度，并結(jié)合低速的計算結(jié)果計算處理輸出高速轉(zhuǎn)速；本發(fā)明中的轉(zhuǎn)速檢測器可以隨意安裝旋轉(zhuǎn)體上，安裝方便、無方向和角度要求，有效的解決了低轉(zhuǎn)速不易精確測量和轉(zhuǎn)速檢測器不易安裝的問題。
[0013]本發(fā)明的另一種技術(shù)方案是:
[0014]一種基于慣性傳感器的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速測量方法，所述轉(zhuǎn)速測量方法基于本發(fā)明所述的基于慣性傳感器的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，所述轉(zhuǎn)速測量方法包括以下兩種情形:
[0015]第一種情形:旋轉(zhuǎn)體處于低速轉(zhuǎn)動時，由陀螺儀進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量，所述低速轉(zhuǎn)動為旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速在陀螺儀的測量范圍內(nèi)，陀螺儀輸出旋轉(zhuǎn)體的三軸角速度到第一微處理器中處理，得到旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速值，第一微處理器將轉(zhuǎn)速值通過第一無線傳輸模塊傳送到顯示終端中顯示，同時第一微處理器計算并保存旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)半徑，所述旋轉(zhuǎn)半徑為轉(zhuǎn)速檢測器到旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)軸的距離；
[0016]第二種情形:旋轉(zhuǎn)體處于高速轉(zhuǎn)動時，由加速度計進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量，所述高速轉(zhuǎn)動是指旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速超出陀螺儀測量范圍，包括如下步驟:
[0017]a)加速度計輸出旋轉(zhuǎn)體的三軸加速度到第一微處理器中保存，
[0018]b)第一微處理器根據(jù)第一種情形計算得到的旋轉(zhuǎn)半徑，計算并保存重力加速度對旋轉(zhuǎn)體的影響值，
[0019]c)第一微處理器根據(jù)步驟a和步驟b的結(jié)果逆向推導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速值，并通過第一無線傳輸模塊傳送到顯示終端中顯示。
[0020]優(yōu)選地，所述第一種情形中計算得到的旋轉(zhuǎn)半徑為旋轉(zhuǎn)半徑關(guān)于加速度計上各軸轉(zhuǎn)動向心加速度的計算表達(dá)式，該計算表達(dá)式由以下公式計算得到:
【權(quán)利要求】
1.一種基于慣性傳感器的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，包括安裝在旋轉(zhuǎn)體上的轉(zhuǎn)速檢測器和與之進(jìn)行無線通信的顯示終端，其特征在于，所述轉(zhuǎn)速檢測器內(nèi)設(shè)有用于輸出旋轉(zhuǎn)體三軸加速度的加速度計、用于輸出旋轉(zhuǎn)體三軸角速度的陀螺儀、用于控制及進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的第一微處理器、用于數(shù)據(jù)傳送的第一無線傳輸模塊和用于供電的第一供電電池，第一微處理器分別與加速度計、陀螺儀和第一無線傳輸模塊相連，所述顯示終端內(nèi)設(shè)有用于數(shù)據(jù)傳送的第二無線傳輸模塊、第二微處理器、顯示器和用于供電的第二供電電池，第二微處理器分別與顯示器和第二無線傳輸模塊相連；所述轉(zhuǎn)速檢測器中的第一無線傳輸模塊與顯示終端中的第二無線傳輸模塊無線連接，所述加速度計的Z軸和陀螺儀的Z軸均與旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)軸平行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于慣性傳感器的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，其特征在于，所述陀螺儀為三軸微機械陀螺儀，加速度計為三軸微機械加速度計。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于慣性傳感器的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，其特征在于，所述第一無線傳輸模塊和第二無線傳輸模塊均為2.4G模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于慣性傳感器的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)速檢測器內(nèi)還設(shè)有用于顯示轉(zhuǎn)速檢測器運行狀態(tài)的指示模塊，指示模塊分別與第一微處理器和第一供電電池相連。
5.一種基于慣性傳感器的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速測量方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)速測量方法基于權(quán)利要求1所述的基于慣性傳感器的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，所述轉(zhuǎn)速測量方法包括以下兩種情形: 第一種情形:旋轉(zhuǎn)體處于低速轉(zhuǎn)動時，由陀螺儀進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量，所述低速轉(zhuǎn)動為旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速在陀螺儀的測量范圍內(nèi)，陀螺儀輸出旋轉(zhuǎn)體的三軸角速度到第一微處理器中處理，得到旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速值，第一微處理器將轉(zhuǎn)速值通過第一無線傳輸模塊傳送到顯示終端中顯示，同時第一微處理器計算并保存旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)半徑，所述旋轉(zhuǎn)半徑為轉(zhuǎn)速檢測器到旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)軸的距離； 第二種情形:旋轉(zhuǎn)體處于高速轉(zhuǎn)動時，由加速度計進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量，所述高速轉(zhuǎn)動是指旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速超出陀螺儀測量范圍，包括如下步驟: a)加速度計輸出旋轉(zhuǎn)體的三軸加速度到第一微處理器中保存， b)第一微處理器根據(jù)第一種情形計算得到的旋轉(zhuǎn)半徑，計算并保存重力加速度對旋轉(zhuǎn)體的影響值， c)第一微處理器根據(jù)步驟a和步驟b的結(jié)果逆向推導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速值，并通過第一無線傳輸模塊傳送到顯示終端中顯示。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于慣性傳感器的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速測量方法，其特征在于，所述第一種情形中計算得到的旋轉(zhuǎn)半徑為旋轉(zhuǎn)半徑關(guān)于加速度計上各軸轉(zhuǎn)動向心加速度的計算表達(dá)式，該計算表達(dá)式由以下公式計算得到:
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于慣性傳感器的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速測量方法，其特征在于，所述第二種情形的 步驟a中加速度計輸出旋轉(zhuǎn)體的三軸加速度分別Ax、Ay和Az， 步驟b中重力加速度對旋轉(zhuǎn)體的影響值包括不隨旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動變化的重力加速度分量gxs> gYS和gzs以及隨旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動周期性變化的重力加速度分量gm、g?和gZD，在旋轉(zhuǎn)體勻速轉(zhuǎn)動時，以下公式(7) (8) (9)成立:

【文檔編號】G08C17/02GK103743921SQ201310755470
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】鄧登峰, 汪建平 申請人:杭州士蘭微電子股份有限公司