專利名稱：物體動(dòng)態(tài)傾角的測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及測(cè)量技術(shù)，特別是涉及一種物體動(dòng)態(tài)傾角的測(cè)量裝置的技術(shù)。

背景技術(shù)：
在許多工程領(lǐng)域需要對(duì)物體的傾斜角度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如海浪作用下船載設(shè)備的搖擺，風(fēng)載作用下高層建筑的擺動(dòng)，機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)，環(huán)境振動(dòng)下精密機(jī)械運(yùn)動(dòng)臺(tái)的傾斜等。目前，物體動(dòng)態(tài)傾角測(cè)量多采用慣性陀螺儀或基于多普勒效應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)。但是陀螺儀的價(jià)格較貴，光學(xué)系統(tǒng)所需輔助設(shè)備較多、測(cè)試成本較高。此外，在人員不宜長(zhǎng)期滯留以及現(xiàn)場(chǎng)布線困難的場(chǎng)合，將測(cè)量數(shù)據(jù)以無(wú)線通信的方式傳輸?shù)焦P記本電腦亦非常必要。

實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能利用對(duì)加速度的測(cè)量就能解決物體動(dòng)態(tài)傾角的測(cè)量問(wèn)題的，能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)物體動(dòng)態(tài)傾角進(jìn)行實(shí)時(shí)無(wú)線遙測(cè)的物體動(dòng)態(tài)傾角的測(cè)量裝置。
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型所提供的一種物體動(dòng)態(tài)傾角的測(cè)量裝置，包括 一加速度測(cè)量部分，為用于測(cè)量加速度分量aX、aY的加速度計(jì)； 一數(shù)據(jù)無(wú)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(jì)的輸出端；所述射頻發(fā)射模塊內(nèi)設(shè)有能實(shí)現(xiàn)PWM的脈寬計(jì)數(shù)的單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T0，所述射頻發(fā)射模塊內(nèi)設(shè)還有能完成數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)射的發(fā)射單元；射頻接收模塊的接收端與RS232接口連接，用于實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信和數(shù)據(jù)處理； 一動(dòng)態(tài)傾角計(jì)算部分，用于實(shí)現(xiàn)與無(wú)線接收端的串口通信、加速度到角度的計(jì)算與曲線繪圖二個(gè)功能，包括電腦和連接無(wú)線接收模塊與電腦的RS232接口；電腦設(shè)有物體動(dòng)態(tài)傾角的計(jì)算程序，能利用接收到的加速度分量aX、aY，根據(jù)物體繞X軸動(dòng)態(tài)傾角為θx＝5.8480ay-0.4006r，物體繞Y軸動(dòng)態(tài)傾角為θy＝5.8480ax-0.4006r的公式實(shí)時(shí)計(jì)算出物體的傾角，并繪制對(duì)應(yīng)的曲線。
進(jìn)一步的，所述電腦設(shè)有的物體動(dòng)態(tài)傾角的計(jì)算程序采用VC++的MFC(微軟基礎(chǔ)類庫(kù))編程的軟件實(shí)現(xiàn)。
進(jìn)一步的，所述射頻發(fā)射模塊內(nèi)采用SOC無(wú)線單片機(jī)。
進(jìn)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(zhuǎn)接線實(shí)現(xiàn)與無(wú)線接收模塊的數(shù)據(jù)通信。
進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸部分采用免申請(qǐng)的2.4GHz ISM頻段進(jìn)行無(wú)線傳輸。
利用本實(shí)用新型提供的物體動(dòng)態(tài)傾角的測(cè)量裝置，由于采用合理的只需測(cè)量加速度就能計(jì)算得到物體動(dòng)態(tài)傾角的測(cè)量技術(shù)，使本實(shí)用新型只需通過(guò)價(jià)格低廉的MEMS加速度計(jì)對(duì)加速度的測(cè)量就能解決物體動(dòng)態(tài)傾角的測(cè)量問(wèn)題，并可同時(shí)測(cè)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(jìn)行無(wú)線通信；由于采用無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸方式，所以能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)物體的動(dòng)態(tài)傾角進(jìn)行實(shí)時(shí)(無(wú)線)遙測(cè)；由于采用SOC無(wú)線單片機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，所以降低開(kāi)發(fā)成本；由于采用全球免申請(qǐng)的2.4GHz的ISM頻段，而且空間無(wú)障礙傳輸距離約為30米，所以與籃牙技術(shù)相比，傳輸距離長(zhǎng)，即實(shí)時(shí)無(wú)線遙測(cè)的距離長(zhǎng)。

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例物體動(dòng)態(tài)傾角測(cè)量裝置的加速度測(cè)量部分的外圍電路圖； 圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例物體動(dòng)態(tài)傾角測(cè)量裝置的射頻發(fā)射模塊的電路圖； 圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例物體搖擺傾角測(cè)試曲線示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖說(shuō)明對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但本實(shí)施例并不用于限制本實(shí)用新型，凡是采用本實(shí)用新型的相似結(jié)構(gòu)及其相似變化，均應(yīng)列入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
本實(shí)用新型實(shí)施例所依據(jù)的一種物體動(dòng)態(tài)傾角測(cè)量方法，通過(guò)價(jià)格低廉的MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))加速度計(jì)ADXL202E感知X，Y軸上的加速度分量。通過(guò)一定的算法求出傾斜角度的變化。具體算方法如下當(dāng)物體搖擺時(shí)，傾斜軸上存在動(dòng)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(chǎn)生的動(dòng)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(chǎn)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(jì)測(cè)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(dòng)態(tài)加速度對(duì)傾斜角度測(cè)量的影響，可將(無(wú)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(dòng)態(tài)加速度產(chǎn)生的傾角測(cè)量的誤差小于0.4006*0.01＝0.004(度)，在測(cè)量精度要求不高的情況下，此誤差可以忽略不計(jì)。
本實(shí)用新型實(shí)施例所依據(jù)的一種物體動(dòng)態(tài)傾角的測(cè)量方法，步驟如下 1)加速度測(cè)量用MEMS加速度計(jì)ADXL202E同時(shí)測(cè)量X軸、Y軸上的加速度分量aX、aY； 2)無(wú)線傳輸測(cè)試數(shù)據(jù)采用射頻發(fā)射模塊和射頻接收模塊進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)——加速度分量aX、aY的無(wú)線傳輸； 3)計(jì)算物體動(dòng)態(tài)傾角用筆記本電腦同時(shí)接收測(cè)試數(shù)據(jù)aX、aY。再由所述(4)式計(jì)算物體繞X軸的動(dòng)態(tài)傾角θx＝5.8480ay-0.4006r；由(5)式計(jì)算物體繞Y軸的動(dòng)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(kù))實(shí)現(xiàn)。運(yùn)行界面見(jiàn)圖3，程序利用MFC(微軟基礎(chǔ)類庫(kù))編寫。曲線的橫坐標(biāo)為時(shí)間(單位秒)，縱坐標(biāo)為物體的傾角(單位度)。
本實(shí)用新型實(shí)施例所提供的一種物體動(dòng)態(tài)傾角的測(cè)量裝置，包括 一加速度測(cè)量部分，為MEMS加速度計(jì)ADXL202E及其外圍電路；如圖1所示，電路中有一個(gè)0.1μF的去藕電容Cdc，以消除電路中電源波動(dòng)對(duì)傳感器輸出信號(hào)的影響。兩路信號(hào)輸出XOUT和YOUT分別經(jīng)過(guò)一個(gè)18k的限流電阻送到nRF24E1的P0口的INT0和INT1引腳，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器輸出的實(shí)時(shí)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(diǎn)漂移，CX，Cy，RSET分別安裝在緊靠XFILT，YFILT和T2引腳處。
一數(shù)據(jù)無(wú)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(hào)。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(guò)電容C9、C10與模擬地面分開(kāi)；IREF接了一個(gè)22kΩ的外置直流偏置電阻。接收模式時(shí)，ANT1和ANT2引腳端提供射頻信號(hào)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(hào)輸出到天線。天線與nRF24E1間設(shè)置LC選頻濾波網(wǎng)絡(luò)，濾除帶外干擾信號(hào)和高頻噪聲，該網(wǎng)絡(luò)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(zhǎng)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(guān)系；分別將Xout，Xout引腳通過(guò)限流電阻與nRF24E1的輸入端P0.3，，P0.4引腳連接；通過(guò)nRF24E1內(nèi)部的8051單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T0實(shí)現(xiàn)PWM的脈寬計(jì)數(shù)，再通過(guò)nRF2401射頻單元完成數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)射；在(射頻接收模塊的)接收端，通過(guò)nRF24E1的Tx，Rx復(fù)用端口以及MAX232芯片與RS232連接，實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的串行通信與數(shù)據(jù)處理。采用SOC無(wú)線單片機(jī)nRF24E1實(shí)現(xiàn)免申請(qǐng)2.4GHz ISM頻段的無(wú)線傳輸；與籃牙技術(shù)相比，開(kāi)發(fā)成本低，傳輸距離長(zhǎng)。
在測(cè)試數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸中，數(shù)據(jù)包包括前導(dǎo)碼、地址碼、有效數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)4部分。其中，前導(dǎo)碼由硬件自動(dòng)加上；地址碼為32～40位；CRC是CRC校驗(yàn)和，可由內(nèi)置CRC糾檢錯(cuò)硬件電路自動(dòng)加上，可設(shè)為0、8或16位。地址碼、有效數(shù)據(jù)和CRC的總長(zhǎng)度最大為256位。設(shè)置較短的地址和校驗(yàn)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(wú)線收發(fā)器的接收地址、收發(fā)頻率、發(fā)射功率、無(wú)線傳輸速率、無(wú)線收發(fā)模式、CRC校驗(yàn)和的長(zhǎng)度以及有效數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。在軟件設(shè)計(jì)中，先對(duì)發(fā)送端的nRF24E1芯片進(jìn)行編程，以讀取ADXL202輸出脈沖中高電平所占據(jù)的時(shí)間，并把它發(fā)送到接收端。在發(fā)送前，需要進(jìn)行發(fā)送配置。然后對(duì)接收端的nRF24E1芯片進(jìn)行編程。
一動(dòng)態(tài)傾角計(jì)算部分，用于實(shí)現(xiàn)與無(wú)線接收端的串口通信、加速度到角度的計(jì)算與曲線繪圖二個(gè)功能。包括筆記本電腦和連接無(wú)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(méi)有232接口，可利用一根USB-232轉(zhuǎn)接線實(shí)現(xiàn)筆記本與無(wú)線接收模塊的數(shù)據(jù)通信。筆記本電腦設(shè)有物體動(dòng)態(tài)傾角的計(jì)算程序，能利用接收到的加速度分量aX、aY，根據(jù)物體的繞X軸動(dòng)態(tài)傾角θx＝5.8480ay-0.4006r(4)，物體的繞Y軸動(dòng)態(tài)傾角θy＝5.8480ax-0.4006r(5)的公式實(shí)時(shí)計(jì)算出物體的傾角，并繪制對(duì)應(yīng)的曲線。
本實(shí)用新型實(shí)施例物體動(dòng)態(tài)傾角的測(cè)量裝置的適用范圍搖擺角速度＜15°/s，傾角±45°。誤差補(bǔ)償后的測(cè)量精度±0.05°。對(duì)測(cè)量得到的動(dòng)態(tài)傾角進(jìn)行差分處理可得到物體搖擺角速度?？臻g無(wú)障礙無(wú)線傳輸距離30米左右。
權(quán)利要求1.一種物體動(dòng)態(tài)傾角的測(cè)量裝置，其特征在于，包括
一加速度測(cè)量部分，為用于測(cè)量加速度分量αX、αY的加速度計(jì)；
一數(shù)據(jù)無(wú)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(jì)的輸出端；通過(guò)射頻發(fā)射模塊內(nèi)的單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T0實(shí)現(xiàn)PWM的脈寬計(jì)數(shù)，再通過(guò)射頻模塊的發(fā)射單元完成數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)射；在射頻接收模塊的接收端，通過(guò)與RS232接口的連接，實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信與數(shù)據(jù)處理；
一動(dòng)態(tài)傾角計(jì)算部分，用于實(shí)現(xiàn)與無(wú)線接收端的串口通信、加速度到角度的計(jì)算與曲線繪圖，包括能實(shí)時(shí)計(jì)算物體動(dòng)態(tài)傾角的電腦和連接所述電腦與無(wú)線接收模塊的RS232接口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物體動(dòng)態(tài)傾角的測(cè)量裝置，其特征是，所述射頻發(fā)射模塊內(nèi)采用SOC無(wú)線單片機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物體動(dòng)態(tài)傾角的測(cè)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(zhuǎn)接線實(shí)現(xiàn)與無(wú)線接收模塊的數(shù)據(jù)通信。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物體動(dòng)態(tài)傾角的測(cè)量裝置，其特征是，所述數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸部分采用免申請(qǐng)的2.4GHz ISM頻段進(jìn)行無(wú)線傳輸。
專利摘要一種物體動(dòng)態(tài)傾角的測(cè)量裝置，涉及測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域；所要解決的是物體動(dòng)態(tài)傾角的測(cè)量的技術(shù)問(wèn)題；該測(cè)量裝置包括用于測(cè)量加速度分量aX、aY的加速度計(jì)、設(shè)有射頻發(fā)射模塊和射頻接收模塊的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸部分、用于實(shí)現(xiàn)與無(wú)線接收端的串口通信、加速度到角度的計(jì)算與曲線繪圖的動(dòng)態(tài)傾角計(jì)算部分，動(dòng)態(tài)傾角計(jì)算部分，包括電腦和連接所述電腦與無(wú)線接收模塊的RS232接口；電腦設(shè)有的計(jì)算程序，能利用θx＝5.8480ay-0.4006r，θy＝5.8480ax-0.4006r的公式實(shí)時(shí)計(jì)算出物體的傾角，并繪制對(duì)應(yīng)的曲線。本實(shí)用新型具有開(kāi)發(fā)成本低，傳輸距離長(zhǎng)，能利用對(duì)加速度的測(cè)量就能解決物體動(dòng)態(tài)傾角的測(cè)量問(wèn)題的，能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)物體動(dòng)態(tài)傾角進(jìn)行實(shí)時(shí)無(wú)線遙測(cè)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01C9/00GK201062949SQ200720072708
公開(kāi)日2008年5月21日 申請(qǐng)日期2007年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月20日
發(fā)明者孫玉國(guó) 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)