專利名稱：一種基于加速度計(jì)的轉(zhuǎn)速或速度測(cè)量裝置及檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及轉(zhuǎn)速或速度傳感檢測(cè)領(lǐng)域，具體地說，是一種轉(zhuǎn)速或速 度測(cè)量裝置，同時(shí)該裝置具有一定的提示報(bào)警功能。
背景技術(shù)：
在人們的日常生活生產(chǎn)過程中，轉(zhuǎn)速(或速度)測(cè)量裝置隨處可見， 比如汽車的車速表、轉(zhuǎn)速表，自行車的碼表以及各種發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表等。 這些轉(zhuǎn)速(或速度)測(cè)量裝置感測(cè)轉(zhuǎn)速(或速度)的方式也不盡相同。 傳統(tǒng)的車速表是機(jī)械式的，典型的機(jī)械式車速表連接一根軟軸，軟軸內(nèi) 有一根鋼絲纜，軟軸另一端連接到變速器某一個(gè)齒輪上，齒輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng) 鋼絲纜旋轉(zhuǎn)，鋼絲纜帶動(dòng)里程表罩圈內(nèi)一塊磁鐵旋轉(zhuǎn)，罩圈與指針聯(lián)接 并通過游絲將指針置于零位，磁鐵旋轉(zhuǎn)速度的快慢引起磁力線大小的變 化，平衡被打破指針因此被帶動(dòng)。這種車速里程表簡(jiǎn)單實(shí)用，被廣泛用 于大小型汽車上。不過，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在很多轎車儀表已經(jīng) 使用電子車速表，常見的一種是從變速器上的速度傳感器獲取信號(hào)，通 過脈沖頻率的變化使指針偏轉(zhuǎn)或者顯示數(shù)字。自行車所使用的碼表多基 于電磁感應(yīng)原理，在自行車輪輻條上安裝一個(gè)永磁體，自行車架上安裝 一個(gè)單簧管，自行車輪每旋轉(zhuǎn)一圈，單簧管切割磁體的磁力線產(chǎn)生一個(gè) 電脈沖，記下電脈沖的頻率就可以知道車輪的轉(zhuǎn)速，如果預(yù)先知道車輪 周長，自行車速度就可以由轉(zhuǎn)速乘以車輪周長得到。
加速度計(jì)作為一種高精度的運(yùn)動(dòng)傳感器由于其昂貴的價(jià)格一直都只
是應(yīng)用在慣性導(dǎo)航領(lǐng)域，近年來由于MEMS技術(shù)的突飛猛進(jìn)，眾多半導(dǎo) 體廠商(ADI、 Freescale、 ST等)都推出了各自的MEMS加速度傳感器 芯片，并且被大量地應(yīng)用在了汽車(輔助導(dǎo)航、碰撞檢測(cè)等)和消費(fèi)電 子(硬盤保護(hù)、相機(jī)防抖、交互式游戲等)領(lǐng)域?；贛EMS技術(shù)的加 速度計(jì)有著成本低、功耗低、體積小、可靠性高、安裝方便等特點(diǎn)，必將在越來越多的領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。
另一種慣性傳感器——陀螺儀也可以用來感測(cè)載體的角速率，但是 由于陀螺儀的成本較高，不適用于一般場(chǎng)合的轉(zhuǎn)速測(cè)量，而且陀螺儀的 動(dòng)態(tài)范圍比較小，不適合大動(dòng)態(tài)范圍的轉(zhuǎn)速測(cè)量。那么低成本的加速度 計(jì)有沒有可能用來進(jìn)行轉(zhuǎn)速(或速度)測(cè)量呢？答案是肯定的。如果把 加速度計(jì)固定在轉(zhuǎn)動(dòng)的載體上，那么在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，加速度計(jì)能感測(cè) 到跟轉(zhuǎn)動(dòng)直接相關(guān)的多個(gè)物理量轉(zhuǎn)動(dòng)的向心加速度、加速度計(jì)方位變 化引起的重力加速度在敏感軸上的分量的變化等。那么只要從加速度計(jì) 的輸出信號(hào)中提取出這些物理量，載體的轉(zhuǎn)速(或速度)就可以得到了。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)有的轉(zhuǎn)速或速度測(cè)量裝置大多是機(jī)械接觸式的，需要有機(jī)械構(gòu)件 將載體和轉(zhuǎn)速或速度測(cè)量裝置相連接，因而設(shè)計(jì)較復(fù)雜，成本相對(duì)較高， 而且是安裝在系統(tǒng)內(nèi)部的，不方便維護(hù)，并且傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置的測(cè) 量范圍比較小，大范圍的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置價(jià)格又比較昂貴；為了克服現(xiàn)有 轉(zhuǎn)速或速度測(cè)量裝置的種種缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種新型的基于加速度 計(jì)的轉(zhuǎn)速或速度檢測(cè)裝置和幾種基于加速度計(jì)進(jìn)行轉(zhuǎn)速或速度檢測(cè)的方 法，并且實(shí)現(xiàn)提示報(bào)警的附加功能。
為達(dá)成所述目的，本發(fā)明的基于加速度計(jì)的轉(zhuǎn)速或速度測(cè)量裝置， 由安裝在載體上的傳感檢測(cè)部和安裝在遠(yuǎn)端的某個(gè)固定物上的處理顯示 部組成，傳感檢測(cè)部與處理顯示部連接，傳感檢測(cè)部用于感測(cè)、處理并 無線發(fā)射載體的運(yùn)動(dòng)信息；處理顯示部用于接收傳感檢測(cè)部發(fā)送的載體 運(yùn)動(dòng)信息并進(jìn)行處理和顯示，所述傳感檢測(cè)部和處理顯示部之間采用無 線通信的連接方式。
為達(dá)成所述目的，本發(fā)明的基于加速度計(jì)的轉(zhuǎn)速或速度檢測(cè)方法， 利用加速度計(jì)的輸出信號(hào)，提取出載體轉(zhuǎn)動(dòng)的向心加速度，通過向心加 速度和轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)動(dòng)半徑的關(guān)系得到載體的轉(zhuǎn)速，或者在時(shí)域、頻域內(nèi) 對(duì)加速度計(jì)輸出的周期性信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，直接得到載體轉(zhuǎn)動(dòng)的周期或頻 率，進(jìn)而得到載體的轉(zhuǎn)速或速度。
采用本發(fā)明的轉(zhuǎn)速或速度測(cè)量裝置有如下的有益效果傳統(tǒng)的車速表、里程表等都有一些接觸性的機(jī)械裝置連接到變速箱 的齒輪上，以獲得轉(zhuǎn)速信息，這樣的設(shè)計(jì)不可避免地增加了系統(tǒng)機(jī)械設(shè) 計(jì)的復(fù)雜度，而采用本發(fā)明的轉(zhuǎn)速或速度檢測(cè)裝置，可以將傳感檢測(cè)部 直接安裝在車輪上面，用來感測(cè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，而傳感檢測(cè)部和處理顯示 部之間采用的是無線通信的方式，所以就不需要有任何其他的機(jī)械部件， 簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
采用本發(fā)明的轉(zhuǎn)速或速度測(cè)量裝置還可以作為傳統(tǒng)的車速表、里程 表的補(bǔ)充，當(dāng)成備用表來使用，在主表出現(xiàn)故障的時(shí)候提供必要的車速 等信息，提高系統(tǒng)的可靠性；而且采用本發(fā)明的轉(zhuǎn)速或速度檢測(cè)裝置是 一個(gè)完全獨(dú)立的系統(tǒng)，不需要在原有系統(tǒng)上做任何改裝，也不會(huì)增加整 個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度。此外，采用本發(fā)明的轉(zhuǎn)速或速度檢測(cè)裝置還能夠探測(cè) 到汽車危險(xiǎn)狀況的發(fā)生(比如碰撞)，在發(fā)生碰撞的時(shí)候，本發(fā)明傳感 檢測(cè)部的加速度計(jì)能感測(cè)到加速度的急劇變化，從而采取必要的保護(hù)措 施(例如通知安全氣囊的打開)。
采用本發(fā)明的轉(zhuǎn)速或速度測(cè)量裝置還可以用于自行車的碼表，與傳
統(tǒng)的碼表相比，本發(fā)明的碼表少了一個(gè)部件，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；而且 本發(fā)明的碼表提供了傳統(tǒng)的碼表所不具備的防盜報(bào)警功能，傳統(tǒng)的碼表 只能感測(cè)到車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)自行車的其他運(yùn)動(dòng)都沒法感測(cè)，而采用本發(fā) 明的碼表則能感測(cè)到所有的運(yùn)動(dòng)。假如自行車被人搬走，車輪沒有轉(zhuǎn)動(dòng)， 所以傳統(tǒng)的碼表不會(huì)有任何反應(yīng)，但是在搬動(dòng)的過程中不可避免地要產(chǎn) 生加速度的變化(重力加速度的變化，振動(dòng)等)，因而采用本發(fā)明的碼 表就能夠感測(cè)到這些變化，進(jìn)而給出報(bào)警信號(hào)。
采用本發(fā)明的轉(zhuǎn)速或速度測(cè)量裝置還具有成本低的優(yōu)勢(shì)，由于半導(dǎo) 體技術(shù)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體器件正在以越來越低廉的價(jià)格和更高的性能 深入到各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的成本要低于傳統(tǒng)機(jī)械式的轉(zhuǎn)速或速 度測(cè)量裝置。并且可以預(yù)見的是隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，本發(fā)明的轉(zhuǎn)速 或速度測(cè)量裝置的成本將會(huì)越來越低，并且性能會(huì)越來越好。
采用本發(fā)明的轉(zhuǎn)速或速度測(cè)量裝置還具有測(cè)量范圍廣，分辨率高等 特點(diǎn)，以往傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速或速度測(cè)量裝置的轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍大概為每分鐘幾 千轉(zhuǎn)，更大測(cè)量范圍的轉(zhuǎn)速或速度測(cè)量裝置的價(jià)格都非常昂貴。而采用本發(fā)明的轉(zhuǎn)速或速度測(cè)量裝置使用的MEMS加速度計(jì)具有響應(yīng)速度快、
帶寬大的特點(diǎn)，理論上來講可以測(cè)量到每分鐘幾萬轉(zhuǎn)的高轉(zhuǎn)速。同時(shí)由 于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速或速度測(cè)量裝置(比如自行車碼表)在車輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過 程中只能產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，分辨率比較低，而本發(fā)明的轉(zhuǎn)速或速度測(cè) 量裝置可以采用檢測(cè)向心加速度方法來測(cè)量轉(zhuǎn)速，在車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的每一時(shí) 刻都能夠感測(cè)到速度的變化，因而分辨率較高。


圖1本發(fā)明轉(zhuǎn)速或速度測(cè)量裝置的系統(tǒng)框圖2本發(fā)明系統(tǒng)實(shí)施例示意圖
圖3本發(fā)明載體旋轉(zhuǎn)過程示意圖
圖4本發(fā)明周期信號(hào)到方波信號(hào)轉(zhuǎn)換示意圖
圖5本發(fā)明加速度計(jì)的輸出信號(hào)圖
圖6本發(fā)明無線碼表示意圖
具體實(shí)施例方式
下面就本發(fā)明的各個(gè)方面給出一些具體的實(shí)施例 本發(fā)明的轉(zhuǎn)速或速度檢測(cè)裝置系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由安裝在載體 上的傳感檢測(cè)部1和安裝在遠(yuǎn)端的某個(gè)固定物上的處理顯示部2組成， 傳感檢測(cè)部1與處理顯示部2連接，傳感檢測(cè)部1用于感測(cè)、處理并無 線發(fā)射載體的運(yùn)動(dòng)信息；處理顯示部2用于接收傳感檢測(cè)部1發(fā)送的載 體運(yùn)動(dòng)信息并進(jìn)行處理和顯示，所述傳感檢測(cè)部1和處理顯示部2之間 采用無線通信的連接方式。
傳感檢測(cè)部1由加速度計(jì)11、信號(hào)預(yù)處理單元12、無線發(fā)射單元13 和發(fā)送天線14構(gòu)成。傳感檢測(cè)部1安裝在旋轉(zhuǎn)的載體上面，信號(hào)預(yù)處理 單元12串聯(lián)在加速度計(jì)11與無線發(fā)射單元13之間，加速度計(jì)11的敏 感軸指向旋轉(zhuǎn)中心，用來感測(cè)載體的運(yùn)動(dòng)信息，并生成模擬電壓輸出； 信號(hào)預(yù)處理單元12接收加速度計(jì)11的模擬電壓并生成數(shù)字或脈沖信號(hào)， 并將此數(shù)字或脈沖信號(hào)由無線發(fā)射單元13通過發(fā)送天線14發(fā)送出去。 處理顯示部2由接收天線24、無線接收單元21、微處理器22和顯示單元23構(gòu)成。處理顯示部2安裝在遠(yuǎn)端的某個(gè)固定物上，微處理器22位 于無線接收單元21與顯示單元23之間并串聯(lián)連接，無線接收單元21通 過接收天線24接收傳感檢測(cè)部1發(fā)過來的數(shù)字或脈沖信息，然后傳給微 處理器22對(duì)接收的數(shù)字或脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，解算出載體的轉(zhuǎn)速(或速 度)等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，微處理器22控制顯示單元23顯示得到的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。 發(fā)送天線14和接收天線24的主要任務(wù)是建立傳感檢測(cè)部1和處理顯示 部2之間的無線數(shù)據(jù)傳輸通道，根據(jù)所選用的無線頻率采用與之相對(duì)應(yīng) 的天線類型，具體可供選用的天線類型有PCB天線、片狀天線(Chip Antenna)等。
下面給出整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例，如圖2所示，該實(shí)施例由傳感檢 測(cè)部1和處理顯示部2組成。
傳感檢測(cè)部l由電池dl、電源模塊d2、加速度計(jì)ll、 A/D轉(zhuǎn)換器、 8051微控制器MCU、 2.4GHz無線發(fā)送芯片RF和發(fā)送天線14構(gòu)成，電 池dl和電源模塊d2負(fù)責(zé)給系統(tǒng)提供電源，加速度計(jì)11感測(cè)載體的轉(zhuǎn)動(dòng) 信息，得到的模擬電壓信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，由8051微 控制器MCU控制無線發(fā)送芯片RF通過發(fā)送天線14發(fā)送出去。
處理顯示部2由電池d3、電源模塊d4、接收天線24、 2.4GHz無線 接收芯片RF、 8051微控制器MCU、 LCD顯示屏構(gòu)成，電池d3和電源 模塊d4負(fù)責(zé)給系統(tǒng)提供電源，無線接收芯片RF通過接收天線24接收來 自于傳感檢測(cè)部l的信號(hào)，并送給8051微控制器MCU進(jìn)行處理，8051 微控制器MCU解算出載體的運(yùn)動(dòng)信息之后將這些信息顯示在LCD顯示 屏上。
本實(shí)施例的傳感檢測(cè)部1的加速度11計(jì)可采用單軸、雙軸或三軸的 加速度計(jì)。信號(hào)預(yù)處理單元12采用了 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具體實(shí)施的時(shí)候 還可以選用比較器，將輸出的余弦電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成同頻率的方波信號(hào)， 對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)的方式獲得載體的轉(zhuǎn)速等運(yùn)動(dòng)信息。微處理器 22本實(shí)施例選用了 8051微控制器MCU，也可以根據(jù)系統(tǒng)需要采用各種 不同類型的微處理器，比如DSP、 ARM、 PIC等。無線發(fā)射單元13和無 線接收單元21本實(shí)施例選用了 2.4GHz無線發(fā)送和接收芯片RF，也可以 選用433MHz、 866MHz、 915MHz等ISM頻段的發(fā)送和接收芯片。無線發(fā)送天線14和接收天線24選用低成本的PCB天線，也可以選擇占用空 間更小的片狀天線(Chip Antenna)。本實(shí)施例的顯示單元23選用了常 用的LCD顯示屏，也可以選擇OLED等顯示屏。
本發(fā)明的速度或轉(zhuǎn)速檢測(cè)方法是基于如下原理的在載體運(yùn)動(dòng)的過 程中，加速度計(jì)ll主要感測(cè)到如下幾個(gè)加速度的作用地球的重力加速 度，載體轉(zhuǎn)動(dòng)引起的向心加速度和載體平動(dòng)的加速度。在很多場(chǎng)合(比 如純轉(zhuǎn)動(dòng)、汽車、自行車的運(yùn)動(dòng))，載體平動(dòng)的加速度為零或很小且持 續(xù)時(shí)間比較短(大部分時(shí)間為勻速運(yùn)動(dòng))，可以忽略不計(jì)，主要考慮前 兩個(gè)加速度的作用。因而在載體轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，與轉(zhuǎn)動(dòng)密切相關(guān)的有兩
個(gè)物理量向心加速度和重力加速度在加速度計(jì)11敏感軸上的周期性變 化。利用這兩個(gè)物理量，有兩種速度或轉(zhuǎn)速的檢測(cè)途徑 一.向心加速度 的大小與載體的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)半徑有關(guān)，如果能夠從加速度計(jì)ll的輸出信
號(hào)中提取出向心加速度，并且己知旋轉(zhuǎn)半徑就能算出載體的轉(zhuǎn)速；二.重
力加速度在加速度計(jì)的敏感軸上的分量是周期性變化的，而且變化的周 期等于載體轉(zhuǎn)動(dòng)的周期，如果能夠檢測(cè)到這個(gè)周期，也就得到了載體的 轉(zhuǎn)速。根據(jù)檢測(cè)途徑一本發(fā)明提出了求和平均的方法來獲得向心加速度， 因?yàn)樵诤芏痰臅r(shí)間內(nèi)，可以認(rèn)為載體的轉(zhuǎn)速不變，因而向心加速度大小 也不變，而相隔半個(gè)周期的重力加速度在敏感軸上的分量剛好大小相等 方向相反，用求和的方法就可以抵消掉重力分量提取出向心加速度，進(jìn)
而得到載體的轉(zhuǎn)速或速度；根據(jù)檢測(cè)途徑二本發(fā)明提出了分別在時(shí)域和 頻域內(nèi)檢測(cè)周期的方法。在時(shí)域內(nèi)，根據(jù)信號(hào)預(yù)處理單元12的兩種選擇 又有兩種周期檢測(cè)的方法當(dāng)信號(hào)預(yù)處理單元12選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)，檢 測(cè)加速度計(jì)11輸出的波峰和波谷的時(shí)間間隔，這個(gè)時(shí)間間隔等于載體轉(zhuǎn) 動(dòng)周期的一半；當(dāng)信號(hào)預(yù)處理單元12選用比較器時(shí)，加速度計(jì)ll輸出 的模擬電壓經(jīng)過比較器和某個(gè)設(shè)定的電壓進(jìn)行比較產(chǎn)生同頻率的方波信 號(hào)，通過計(jì)數(shù)或者其他的方式很容易獲得方波的頻率，因而就可以得到 載體的轉(zhuǎn)速。在頻域內(nèi)，由于加速度計(jì)ll的輸出信號(hào)是一個(gè)直流信號(hào)和 一個(gè)周期等于載體轉(zhuǎn)動(dòng)周期擺幅為重力加速度的正弦信號(hào)的疊加，因而 可以在頻域內(nèi)檢測(cè)各個(gè)頻率分量的幅度，幅度峰值對(duì)應(yīng)的頻率即為載體 轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率。根據(jù)以上的檢測(cè)原理，給出幾種方法的具體實(shí)施例 方法一如圖3所示，載體旋轉(zhuǎn)的線速度為v，旋轉(zhuǎn)半徑為i ，重力 加速度g豎直向下。載體在從狀態(tài)b運(yùn)行到狀態(tài)a的過程中可以近似認(rèn)為 是勻速的。因而此過程中加速度計(jì)11承受的向心加速度《,為A-一/i ， 并且是始終指向旋轉(zhuǎn)中心的。在狀態(tài)b時(shí)，加速度計(jì)11的輸出為 A=g + ",,，在狀態(tài)a時(shí)，加速度計(jì)ll的輸出為g + ^。因?yàn)樵谳d體 轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過程中，這兩個(gè)位置分別對(duì)應(yīng)于加速度計(jì)11輸出的最大值和 最小值，所以只要檢測(cè)到最大值和最小值^和 ，那么就有^ =。。+^)/2 ，
進(jìn)而就可以得出載體旋轉(zhuǎn)的線速度v = #或載體的角速率《 = V^TI 。
方法二此方法是在時(shí)域內(nèi)檢測(cè)載體的轉(zhuǎn)動(dòng)周期，信號(hào)預(yù)處理單元 12選用模數(shù)轉(zhuǎn)換器，檢測(cè)加速度計(jì)輸出信號(hào)的波峰和波谷，波峰和波谷 的采樣時(shí)間間隔/是容易獲得的，而采樣時(shí)間間隔/是載體轉(zhuǎn)動(dòng)半個(gè)周期 所用的時(shí)間，進(jìn)而可以求得載體旋轉(zhuǎn)的線速度^;ri /f或載體的角速率 0 = ;r〃 。
方法三此方法也是在時(shí)域內(nèi)檢測(cè)載體的轉(zhuǎn)動(dòng)周期，信號(hào)預(yù)處理單 元12選用比較器。如圖4所示，加速度計(jì)的周期信號(hào)經(jīng)過比較器以后成 為同頻率的方波信號(hào)，通過脈沖計(jì)數(shù)等方式很容易獲得方波信號(hào)的頻率 /，從而載體的角速率為"=2;^，載體旋轉(zhuǎn)的線速度為1^^^。
方法四此方法是一種頻域檢測(cè)方法，在頻域內(nèi)對(duì)加速度計(jì)輸出的 周期性信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，幅度峰值所對(duì)應(yīng)的頻率即為載體的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，
進(jìn)而得到載體的轉(zhuǎn)速或速度。如圖5，可以看出加速度計(jì)11的輸出為 +gCOS^0，由一個(gè)頻率為/ = ^2"的余弦型號(hào)疊加一個(gè)幅度為" 的 直流信號(hào)得到。那么就可以通過頻域檢測(cè)的方法得出加速度信號(hào)的頻率， 進(jìn)而知道載體的角速率和載體轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度，具體方法為先對(duì)采樣得 到的某一時(shí)間段的加速度信號(hào)做FFT變換(快速傅里葉變換)，得到信
號(hào)的各個(gè)頻率分量的幅度，在頻率域中檢測(cè)出幅度峰值所對(duì)應(yīng)的頻率， 即為載體轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率/，那么載體的角速率為"-2;r/，載體旋轉(zhuǎn)的線速 度為v-2^ /。
這幾種方法各有所長，前三種方法運(yùn)算速度比較快，但是可能對(duì)系 統(tǒng)的干擾和噪聲比較敏感，而最后一種方法可能抗干擾和噪聲能力比較強(qiáng)，但是由于要做FFT變換，運(yùn)算速度比前兩種方法要慢，因此可以采用信息融合的方法將這三者融合到一起，以得到更好的性能。
下面結(jié)合具體應(yīng)用給出一個(gè)基于本發(fā)明的自行車無線碼表的實(shí)施例傳統(tǒng)的碼表多基于電磁感應(yīng)原理，在自行車輪輻條上安裝一個(gè)永磁體，自行車架上安裝一個(gè)單簧管，自行車輪每旋轉(zhuǎn)一圈，單簧管切割磁
體的磁力線產(chǎn)生一個(gè)電脈沖，記下電脈沖的頻率就可以知道車輪的轉(zhuǎn)速，如果預(yù)先知道車輪周長，自行車速度就可以由轉(zhuǎn)速乘以車輪周長得到。這種自行車用碼表一般有三個(gè)部件，除了上述的兩個(gè)部件外(可以合并稱為傳感器)，還需要有一個(gè)部件，例如控制器，完成轉(zhuǎn)速或速度等運(yùn)動(dòng)信息的解算和顯示。按照傳感器和控制器之間的通信方式，傳統(tǒng)的碼表分為無線和有線兩種，由于無線通信芯片的成本和功耗越來越低，采用無線通信方式的碼表將逐漸成為市場(chǎng)的主流。本實(shí)施例所要實(shí)現(xiàn)的無線碼表是基于上面的系統(tǒng)實(shí)施例的，如圖6所示，為了圖示簡(jiǎn)便，該實(shí)
施例示意圖省略了電池和電源模塊，加速度芯片選擇ADI的ADXL320，一個(gè)雙軸的量程為士5g的模擬電壓輸出加速度芯片，無線發(fā)送芯片選擇Nordic Semiconductor的nRF24El，這是一個(gè)無線收發(fā)芯片，集成了一個(gè)8051的微控制器MCU內(nèi)核和9通道12bit的A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率高達(dá)100KSPS。處理顯示部2的無線接收芯片和微控制器MCU也選擇了nRF24El，液晶顯示屏選擇LCD1602C，這是一個(gè)16X2字符型液晶顯示模塊。傳感檢測(cè)部l安裝在自行車輪的輻條上面，并將加速度計(jì)ll的敏感軸指向車輪中心，處理顯示部2可以安裝在車把上面也可以像手表一樣戴在手腕上。結(jié)合本發(fā)明提出的幾種轉(zhuǎn)速或速度解算方法，就可以在LCD1602C上顯示出轉(zhuǎn)速、速度、里程等自行車運(yùn)動(dòng)參數(shù)。
另外在本發(fā)明的硬件基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了提示報(bào)警的附加功能由于本發(fā)明的傳感檢測(cè)部1所使用的傳感器為加速度計(jì)11，因而可以對(duì)載體的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且可以根據(jù)用戶的設(shè)定對(duì)載體的某些運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(比如轉(zhuǎn)速過快、過慢、振動(dòng)等)或載體的安全狀況進(jìn)行提示報(bào)警，或是將提示報(bào)警信息通過無線發(fā)給遠(yuǎn)端的處理顯示部由后者給出報(bào)警信號(hào)提醒用戶。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的提示報(bào)警的附加功能包括轉(zhuǎn)速過快報(bào)警、載體振動(dòng)報(bào)警、載體防盜報(bào)警等。最后給出一個(gè)提示報(bào)警功能的實(shí)施例本實(shí)施例所要實(shí)現(xiàn)的是基于上述實(shí)施例的無線碼表的自行車防盜報(bào)警功能，由于本無線碼表的傳感檢測(cè)部1和處理顯示部2之間采用的是無線通信方式，因而就可以實(shí)現(xiàn)傳感檢測(cè)部1和處理顯示部2在一定范圍內(nèi)進(jìn)行無線通信，目前的短距離無線收發(fā)芯片的作用距離為幾十米到幾百米。這樣當(dāng)車主離開自行車的時(shí)候，可以將處理顯示部2取下來帶在身邊，而傳感檢測(cè)部l具有監(jiān)測(cè)自行車狀態(tài)的功能，如果自行車一直處于靜止?fàn)顟B(tài)，加速度計(jì)ll的輸出不會(huì)變；如果一旦自行車有異常情況發(fā)生，例如被人搬走或是騎走，
加速度計(jì)11的輸出就會(huì)發(fā)生變化，傳感檢測(cè)部1就會(huì)探測(cè)到這個(gè)變化，進(jìn)而判斷是否需要報(bào)警，如果需要報(bào)警則發(fā)送報(bào)警指令給遠(yuǎn)處的處理顯
示部分，由處理顯示部2發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒車主自行車有被盜的可能性。
以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種基于加速度計(jì)的轉(zhuǎn)速或速度測(cè)量裝置，其特征在于，由安裝在載體上的傳感檢測(cè)部和安裝在遠(yuǎn)端的某個(gè)固定物上的處理顯示部組成，傳感檢測(cè)部與處理顯示部連接，傳感檢測(cè)部用于感測(cè)、處理并無線發(fā)射載體的運(yùn)動(dòng)信息；處理顯示部用于接收傳感檢測(cè)部發(fā)送的載體運(yùn)動(dòng)信息并進(jìn)行處理和顯示，所述傳感檢測(cè)部和處理顯示部之間采用無線通信的連接方式。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)速或速度測(cè)量裝置，其特征在于，傳感 檢測(cè)部由加速度計(jì)、信號(hào)預(yù)處理單元、無線發(fā)射單元和發(fā)送天線構(gòu)成， 信號(hào)預(yù)處理單元串聯(lián)在加速度計(jì)與無線發(fā)射單元之間，加速度計(jì)感測(cè)載 體的運(yùn)動(dòng)并生成模擬電壓輸出；信號(hào)預(yù)處理單元接收模擬電壓并生成數(shù) 字或脈沖信號(hào)，并將數(shù)字或脈沖信號(hào)傳給無線發(fā)射單元并通過發(fā)送天線 發(fā)送出去。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)速或速度測(cè)量裝置，其特征在于，處理 顯示部由接收天線、無線接收單元、微處理器和顯示單元構(gòu)成，微處理 器位于無線接收單元與顯示單元之間并串聯(lián)連接，無線接收單元通過接 收天線接收傳感檢測(cè)部發(fā)過來的數(shù)字或脈沖信號(hào)，微處理器對(duì)接收的數(shù) 字或脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，解算出載體的轉(zhuǎn)速或速度，微處理器控制顯示 單元顯示得到的轉(zhuǎn)速或速度。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1的測(cè)量裝置，其特征在于，所述加速度計(jì)為單軸、 雙軸或三軸的加速度計(jì)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1的測(cè)量裝置，其特征在于，所述信號(hào)預(yù)處理單元 為模數(shù)轉(zhuǎn)換器或比較器。
6、 一種基于加速度計(jì)的轉(zhuǎn)速或速度的檢測(cè)方法，其特征在于，利用 加速度計(jì)的輸出信號(hào)，提取出載體轉(zhuǎn)動(dòng)的向心加速度，通過向心加速度 和轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)動(dòng)半徑的關(guān)系得到載體的轉(zhuǎn)速，或者在時(shí)域、頻域內(nèi)對(duì)加 速度計(jì)輸出的周期性信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，直接得到載體轉(zhuǎn)動(dòng)的周期或頻率， 進(jìn)而得到載體的轉(zhuǎn)速或速度。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6的檢測(cè)方法，其特征在于，利用加速度計(jì)輸出的重力加速度和向心加速度在敏感軸上的合加速度，通過求和平均法提取 出載體的向心加速度，進(jìn)而得到載體的轉(zhuǎn)速或速度。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6的檢測(cè)方法，其特征在于，利用加速度計(jì)輸出的 周期性信號(hào)，在時(shí)域內(nèi)，通過檢測(cè)周期性信號(hào)的波峰或波谷，或者把加 速度計(jì)的輸出轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的方波信號(hào)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)得出載體的轉(zhuǎn)動(dòng)周 期或轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，進(jìn)而得到載體的轉(zhuǎn)速或速度。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6的檢測(cè)方法，其特征在于，在頻域內(nèi)對(duì)加速度計(jì)輸出的周期性信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，幅度峰值所對(duì)應(yīng)的頻率即為載體的轉(zhuǎn) 動(dòng)頻率，進(jìn)而得到載體的轉(zhuǎn)速或速度。
10、 根據(jù)權(quán)利要求6的檢測(cè)方法，其特征在于，還在于通過加速度 計(jì)監(jiān)測(cè)載體的狀況，并對(duì)異常情況進(jìn)行分析，給出提示報(bào)警信號(hào)或通知 遠(yuǎn)端的處理顯示部給出提示報(bào)警信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于加速度計(jì)的轉(zhuǎn)速或速度測(cè)量裝置及檢測(cè)方法，由安裝在載體上的傳感檢測(cè)部和安裝在遠(yuǎn)端的某個(gè)固定物上的處理顯示部組成，傳感檢測(cè)部和處理顯示部之間采用無線通信的連接方式。利用加速度計(jì)的輸出信號(hào)，提取出載體轉(zhuǎn)動(dòng)的向心加速度，通過向心加速度和轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)動(dòng)半徑的關(guān)系得到載體的轉(zhuǎn)速，或者在時(shí)域、頻域內(nèi)對(duì)加速度計(jì)輸出的周期性信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，直接得到載體轉(zhuǎn)動(dòng)的周期或頻率，進(jìn)而得到載體的轉(zhuǎn)速或速度。采用本發(fā)明的轉(zhuǎn)速或速度測(cè)量裝置具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍廣、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)該裝置還具有遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)載體狀況并給出提示報(bào)警功能的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01P3/00GK101634659SQ20081011706
公開日2010年1月27日 申請(qǐng)日期2008年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月23日
發(fā)明者靖 姬, 楊克虎, 郁文生 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所