專利名稱：物體動態(tài)傾角的測量方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及測量技術，特別是涉及一種物體動態(tài)傾角的測量方法及其裝置的技術。

背景技術：
在許多工程領域需要對物體的傾斜角度進行監(jiān)測，如海浪作用下船載設備的搖擺，風載作用下高層建筑的擺動，機械手的擺動，環(huán)境振動下精密機械運動臺的傾斜等。目前，物體動態(tài)傾角測量多采用慣性陀螺儀或基于多普勒效應的光學系統(tǒng)。但是陀螺儀的價格較貴，光學系統(tǒng)所需輔助設備較多、測試成本較高。此外，在人員不宜長期滯留以及現(xiàn)場布線困難的場合，將測量數(shù)據以無線通信的方式傳輸?shù)焦P記本電腦亦非常必要。


發(fā)明內容
針對上述現(xiàn)有技術中存在的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種能利用對加速度的測量就能解決物體動態(tài)傾角的測量問題的，能對現(xiàn)場物體動態(tài)傾角進行實時無線遙測的物體動態(tài)傾角的測量方法及其裝置。
為了解決上述技術問題，本發(fā)明所提供的一種物體動態(tài)傾角的測量方法，步驟如下 1)動態(tài)測量加速度用加速度計動態(tài)測量X軸、Y軸上的加速度分量aX、aY； 2)無線傳輸測試數(shù)據；采用射頻發(fā)射模塊和射頻接收模塊進行測試數(shù)據——加速度分量aX、aY的無線傳輸； 3)計算物體動態(tài)傾角物體繞X軸動態(tài)傾角為θx＝5.8480ay-0.4006r；物體繞Y軸動態(tài)傾角為θy＝5.8480ax-0.4006r。
進一步的，所述步驟2)采用免申請的2.4GHz ISM頻段進行無線傳輸。
為了解決上述技術問題，本發(fā)明所提供的一種物體動態(tài)傾角的測量裝置，包括 一加速度測量部分，為用于測量加速度分量aX、aY的加速度計； 一數(shù)據無線傳輸部分，包括射頻發(fā)射模塊和射頻接收模塊，射頻發(fā)射模塊輸入端連接加速度計的輸出端；通過射頻發(fā)射模塊內的單片機的計數(shù)器T0實現(xiàn)PWM的脈寬計數(shù)，再通過射頻模塊的發(fā)射單元完成數(shù)據的無線發(fā)射；在(射頻接收模塊的)接收端，通過與RS232接口的連接，實現(xiàn)與PC機的通信與數(shù)據處理； 一動態(tài)傾角計算部分，用于實現(xiàn)與無線接收端的串口通信、加速度到角度的計算與曲線繪圖二個功能，包括電腦和連接無線接收模塊與電腦的RS232接口；電腦設有物體動態(tài)傾角的計算程序，能利用接收到的加速度分量aX、aY，根據物體繞X軸動態(tài)傾角為θx＝5.8480ay-0.4006r，物體的Y軸動態(tài)傾角為θy＝5.8480ax-0.4006r的公式實時計算出物體的傾角，并繪制對應的曲線。
進一步的，所述電腦設有的物體動態(tài)傾角的計算程序采用VC++的MFC(微軟基礎類庫)編程的軟件實現(xiàn)。
進一步的，所述射頻發(fā)射模塊內采用SOC無線單片機。
進一步的，所述電腦為便攜式筆記本電腦，所述筆記本電腦采用一USB-232轉接線實現(xiàn)與無線接收模塊的數(shù)據通信。
利用本發(fā)明提供的物體動態(tài)傾角的測量方法及其裝置，由于采用合理的只需測量加速度就能計算得到物體動態(tài)傾角的測量方法，使本發(fā)明只需通過價格低廉的MEMS加速度計對加速度的測量就能解決物體動態(tài)傾角的測量問題，并可同時測量低速搖擺物體繞X軸與Y軸的傾斜角度，方便地與筆記本電腦進行無線通信；由于采用無線傳輸?shù)臄?shù)據傳輸方式，所以能對現(xiàn)場物體的動態(tài)傾角進行實時(無線)遙測；由于采用SOC無線單片機實現(xiàn)無線通信，所以降低開發(fā)成本；由于采用全球免申請的2.4GHz的ISM頻段，而且空間無障礙傳輸距離約為30米，所以與籃牙技術相比，傳輸距離長，即實時無線遙測的距離長。



圖1是本發(fā)明實施例物體動態(tài)傾角測量裝置的加速度測量部分的外圍電路圖； 圖2是本發(fā)明實施例物體動態(tài)傾角測量裝置的射頻發(fā)射模塊的電路圖； 圖3是本發(fā)明實施例物體搖擺傾角測試曲線示意圖。

具體實施例方式 以下結合

對本發(fā)明的實施例作進一步詳細描述，但本實施例并不用于限制本發(fā)明，凡是采用本發(fā)明的相似方法、結構及其相似變化，均應列入本發(fā)明的保護范圍。
本發(fā)明實施例所提供的一種物體動態(tài)傾角測量方法，通過價格低廉的MEMS(微機電系統(tǒng))加速度計ADXL202E感知X，Y軸上的加速度分量。通過一定的算法求出傾斜角度的變化。具體算方法如下當物體搖擺時，傾斜軸上存在動態(tài)加速度和靜態(tài)加速度(重力加速度的分量)。以物體繞X軸以15°/s的角速度搖擺為例，沿Y軸(垂直于X軸)產生的動態(tài)加速度為 式中，r-傳感器到搖擺軸線的的距離。單位m。
沿Y軸產生的靜態(tài)加速度為 式中，θx-物體繞X軸的傾角。單位度。
由MEMS加速度計測得的沿Y軸的加速度值為 ay＝ady+asy＝0.0685r+0.1710θx(3) 則物體繞X軸的傾角為 按照同樣的方法，可得到物體繞Y軸的傾角為 θy＝5.8480ax-0.4006r(5) 為減小動態(tài)加速度對傾斜角度測量的影響，可將(無線)傳感器安裝在靠近搖擺軸線的位置(即減小r的值)。例如，將傳感器安裝在距離搖擺軸線1厘米的位置，若物體的搖擺角速度小于15°/s，則動態(tài)加速度產生的傾角測量的誤差小于0.4006*0.01＝0.004(度)，在測量精度要求不高的情況下，此誤差可以忽略不計。
本發(fā)明實施例所提供的一種物體動態(tài)傾角的測量方法，步驟如下 1)加速度測量用MEMS加速度計ADXL202E同時測量X軸、Y軸上的加速度分量aX、aY； 2)無線傳輸測試數(shù)據采用射頻發(fā)射模塊和射頻接收模塊進行測試數(shù)據——加速度分量aX、aY的無線傳輸； 3)計算物體動態(tài)傾角用筆記本電腦同時接收測試數(shù)據aX、aY。再由所述(4)式計算物體繞X軸的動態(tài)傾角θx＝5.8480ay-0.4006r；由(5)式計算物體繞Y軸的動態(tài)傾角θy＝5.8480ax-0.4006r。角度的解算與曲線繪制采用VC++的MFC(微軟基本類庫)實現(xiàn)。運行界面見圖3，程序利用MFC(微軟基礎類庫)編寫。曲線的橫坐標為時間(單位秒)，縱坐標為物體的傾角(單位度)。
本發(fā)明實施例所提供的一種物體動態(tài)傾角的測量裝置，包括 一加速度測量部分，為MEMS加速度計ADXL202E及其外圍電路；如圖1所示，電路中有一個0.1μF的去藕電容Cdc，以消除電路中電源波動對傳感器輸出信號的影響。兩路信號輸出XOUT和YOUT分別經過一個18k的限流電阻送到nRF24E1的P0口的INT0和INT1引腳，實現(xiàn)對傳感器輸出的實時采集。此外，0.1μF的外接電容CX和CY決定了傳感器帶寬。外接電阻RSET決定了PWM的周期。為減少寄生電容和抑制零點漂移，CX，Cy，RSET分別安裝在緊靠XFILT，YFILT和T2引腳處。
一數(shù)據無線傳輸部分，包括nRF24E1射頻發(fā)射模塊和射頻接收模塊；射頻發(fā)射模塊的電路如圖2所示，主要由nRF24E1和一些外圍元器件組成；其中，電阻、電容以及電感全部采用0603型號。電阻的精度為1％，電容為5％，電感則采用高精度的繞線電感。晶體振蕩器采用外接晶振，晶振的特性是并聯(lián)諧振頻率f＝16MHz，CL＝12pF，等效串聯(lián)電阻ESR＜100Ω。C5、C6、C7、C8為電源的去藕合電容；VSS，VSS_PA直接接地面；DVDD、DVDD2通過電容C9、C10與模擬地面分開；IREF接了一個22kΩ的外置直流偏置電阻。接收模式時，ANT1和ANT2引腳端提供射頻信號輸入到低噪聲放大器(LNA)；發(fā)射模式下，從功率放大器(PA)提供射頻信號輸出到天線。天線與nRF24E1間設置LC選頻濾波網絡，濾除帶外干擾信號和高頻噪聲，該網絡由L1、L2、C3、C4、C11、C12、C13組成。天線采用的是印刷電路板1/4波長單極天線。ADXL202E的輸出端Xout，Yout輸出PWM波，PWM占空比與X，Y軸的加速度成比例關系；分別將Xout，Xout引腳通過限流電阻與nRF24E1的輸入端P0.3，，P0.4引腳連接；通過nRF24E1內部的8051單片機的計數(shù)器T0實現(xiàn)PWM的脈寬計數(shù)，再通過nRF2401射頻單元完成數(shù)據的無線發(fā)射；在(射頻接收模塊的)接收端，通過nRF24E1的TX，RX復用端口以及MAX232芯片與RS232連接，實現(xiàn)與PC機的串行通信與數(shù)據處理。采用SOC無線單片機nRF24E1實現(xiàn)免申請2.4GHz ISM頻段的無線傳輸；與籃牙技術相比，開發(fā)成本低，傳輸距離長。
在測試數(shù)據的無線傳輸中，數(shù)據包包括前導碼、地址碼、有效數(shù)據和CRC校驗4部分。其中，前導碼由硬件自動加上；地址碼為32～40位；CRC是CRC校驗和，可由內置CRC糾檢錯硬件電路自動加上，可設為0、8或16位。地址碼、有效數(shù)據和CRC的總長度最大為256位。設置較短的地址和校驗和可以提高傳輸效率，但可靠性降低。
nRF24E1采用144位的配置字，該配置字規(guī)定了無線收發(fā)器的接收地址、收發(fā)頻率、發(fā)射功率、無線傳輸速率、無線收發(fā)模式、CRC校驗和的長度以及有效數(shù)據的長度。在軟件設計中，先對發(fā)送端的nRF24E1芯片進行編程，以讀取ADXL202輸出脈沖中高電平所占據的時間，并把它發(fā)送到接收端。在發(fā)送前，需要進行發(fā)送配置。然后對接收端的nRF24E1芯片進行編程。
一動態(tài)傾角計算部分，用于實現(xiàn)與無線接收端的串口通信、加速度到角度的計算與曲線繪圖二個功能。包括筆記本電腦和連接無線接收端與筆記本電腦的硬件接口；其中，串口通信采用業(yè)界流行的9600波特率，N，8，1格式。鑒于一般筆記本電腦上沒有232接口，可利用一根USB-232轉接線實現(xiàn)筆記本與無線接收模塊的數(shù)據通信。筆記本電腦設有物體動態(tài)傾角的計算程序，能利用接收到的加速度分量aX、aY，根據物體的繞X軸動態(tài)傾角θx＝5.8480ay-0.4006r(4)，物體的繞Y軸動態(tài)傾角θy＝5.8480ax-0.4006r(5)的公式實時計算出物體的傾角，并繪制對應的曲線。
本發(fā)明實施例物體動態(tài)傾角的測量裝置的適用范圍搖擺角速度＜15°/s，傾角±45°。誤差補償后的測量精度±0.05°。對測量得到的動態(tài)傾角進行差分處理可得到物體搖擺角速度?？臻g無障礙無線傳輸距離30米左右。
權利要求
1、一種物體動態(tài)傾角的測量方法，其特征在于，方法的步驟如下
1)動態(tài)測量加速度用加速度計動態(tài)測量X軸、Y軸上的加速度分量aX、aY；
2)無線傳輸測試數(shù)據；采用射頻發(fā)射模塊和射頻接收模塊進行測試數(shù)據——加速度分量aX、aY的無線傳輸；
3)計算物體動態(tài)傾角物體繞X軸動態(tài)傾角為θx＝5.8480ay-0.4006r；物體繞Y軸動態(tài)傾角為θy＝5.8480ax-0.4006r。
2、根據權利要求1所述的物體動態(tài)傾角的測量方法，其特征是，所述步驟2)采用免申請的2.4GHz ISM頻段進行無線傳輸。
3、一種物體動態(tài)傾角的測量裝置，其特征在于，包括
一加速度測量部分，為用于測量加速度分量aX、aY的加速度計；
一數(shù)據無線傳輸部分，包括射頻發(fā)射模塊和射頻接收模塊，射頻發(fā)射模塊輸入端連接加速度計的輸出端；通過射頻發(fā)射模塊內的單片機的計數(shù)器T0實現(xiàn)PWM的脈寬計數(shù)，再通過射頻模塊的發(fā)射單元完成數(shù)據的無線發(fā)射；在射頻接收模塊的接收端，通過與RS232接口的連接，實現(xiàn)與PC機的通信與數(shù)據處理；
一動態(tài)傾角計算部分，用于實現(xiàn)與無線接收端的串口通信、加速度到角度的計算與曲線繪圖二個功能，包括電腦和連接無線接收模塊與電腦的RS232接口；電腦設有物體動態(tài)傾角的計算程序，能利用接收到的加速度分量aX、aY，根據物體繞X軸動態(tài)傾角為θx＝5.8480ay-0.4006r，物體繞Y軸動態(tài)傾角為θy＝5.8480ax-0.4006r的公式實時計算出物體的傾角，并繪制對應的曲線。
4、根據權利要求3所述的物體動態(tài)傾角的測量裝置，其特征是，所述電腦設有的物體動態(tài)傾角的計算程序采用VC++的MFC編程的軟件實現(xiàn)。
5、根據權利要求3所述的物體動態(tài)傾角的測量裝置，其特征是，所述射頻發(fā)射模塊內采用SOC無線單片機。
6、根據權利要求3所述的物體動態(tài)傾角的測量裝置，其特征是，所述電腦為便攜式筆記本電腦，所述筆記本電腦采用一USB-232轉接線實現(xiàn)與無線接收模塊的數(shù)據通信。
全文摘要
本發(fā)明公開一種物體動態(tài)傾角的測量方法及其裝置，涉及測量技術領域；所要解決的是物體動態(tài)傾角的測量的技術問題；該測量方法的步驟如下1)動態(tài)測量加速度用加速度計動態(tài)測量X軸、Y軸上的加速度分量aX、aY；2)無線傳輸測試數(shù)據；采用射頻發(fā)射模塊和射頻接收模塊進行測試數(shù)據——加速度分量aX、aY的無線傳輸；3)計算物體動態(tài)傾角物體繞X軸動態(tài)傾角為θx＝5.8480ay-0.4006r；物體繞Y軸動態(tài)傾角為θy＝5.8480ax-0.4006r。本發(fā)明具有開發(fā)成本低，傳輸距離長，能利用對加速度的測量就能解決物體動態(tài)傾角的測量問題的，能對現(xiàn)場物體動態(tài)傾角進行實時無線遙測的特點。
文檔編號G08C17/00GK101101202SQ20071004408
公開日2008年1月9日 申請日期2007年7月20日 優(yōu)先權日2007年7月20日
發(fā)明者孫玉國 申請人:上海理工大學