一種混凝土運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于測(cè)量設(shè)備制造和應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種混凝土運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量系統(tǒng)；其傳感器單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、電源開(kāi)關(guān)和接口單元分別與微處理器電信息連通，傳感器單元為獨(dú)立的封閉結(jié)構(gòu)，包括基于MEMS三軸加速度傳感器、三軸磁場(chǎng)傳感器和三軸陀螺儀傳感器，電源開(kāi)關(guān)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和微處理器采用常規(guī)的現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)，接口單元由JATG口和串口調(diào)試口電信息連通組成；工作時(shí)傳感器單元在混凝土攪拌罐體中運(yùn)行并采集其本身的運(yùn)動(dòng)加速度信息，后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元與傳感器單元之間采用有線(xiàn)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)取出和數(shù)據(jù)解算；其整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理可靠，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，造價(jià)低，能耗小，使用環(huán)境友好，使用壽命長(zhǎng)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種混凝土運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明屬于測(cè)量設(shè)備制造和應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種混凝土運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)量混凝土在運(yùn)輸攪拌過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析發(fā)生離析現(xiàn)象的原因，優(yōu)化混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)攪拌罐的設(shè)計(jì)，減小混凝土攪拌車(chē)骨料攪拌離析現(xiàn)象，提高混凝土攪拌質(zhì)量。

【背景技術(shù)】
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[0002]目前，混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)的研究已向多功能、自動(dòng)監(jiān)控、多樣化、成套化、新型材料的應(yīng)用等方面發(fā)展，如攪拌車(chē)與泵車(chē)的結(jié)合、攪拌車(chē)加裝傳送帶、超長(zhǎng)攪拌罐的前卸式攪拌和復(fù)合材料罐體等。2000年，G.Micale等人使用Euler模型分別對(duì)單層漿和多層漿的攪拌槽內(nèi)中低濃度固體顆粒的分散情況進(jìn)行了研究，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的固體顆粒在軸向濃度分布方面有比較好的一致性。2002年，M.Nocentini, D.Pinelli和F.Magelli對(duì)具有多重沖擊的湍流泥漿反應(yīng)器中的固相分散系數(shù)和沉降速度進(jìn)行了研究，利用軸向沉降一分散模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)固相和液相在軸向的分散因數(shù)相差不超過(guò)20%。2005年，吉林大學(xué)王海英利用粒子成像測(cè)速系統(tǒng)對(duì)攪拌筒內(nèi)部流體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了研究，得到了流體在攪拌筒內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)以及攪拌時(shí)的流體流線(xiàn)，使得流體在攪拌筒內(nèi)部的流動(dòng)更加直觀化，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果還存在實(shí)驗(yàn)粒子數(shù)較少、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)混凝土攪拌車(chē)攪拌筒中運(yùn)動(dòng)軌跡有差異等諸多問(wèn)題需要解決。在研究混凝土的運(yùn)動(dòng)機(jī)理相關(guān)方面，使用較多的還是CFD分析方法，如2005年北京化工大學(xué)的王振松所研究的固一液攪拌槽內(nèi)槽底流場(chǎng)的CFD模擬問(wèn)題，其使用計(jì)算流體力學(xué)CFD軟件CFX-51511對(duì)攪拌槽內(nèi)固液流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。2006年，Aoyi Ochieng和Alison E.Lewis對(duì)固體鎳在攪拌槽內(nèi)的濃度分布進(jìn)行了仿真模擬和研究。2008年，吉林大學(xué)封立英研究的混凝土攪拌運(yùn)送車(chē)多相流動(dòng)的數(shù)值模擬中，利用CFD軟件對(duì)混凝土攪拌輸送車(chē)攪拌筒的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析。研究表明，湍流傳播力對(duì)于固體懸浮很重要，尤其對(duì)于高載固量的情況，且對(duì)于給定的載固量，固體濃度分布取決于顆粒尺寸及其分布情況；但目前這些研究普遍基于經(jīng)驗(yàn)公式的部分，到目前暫時(shí)沒(méi)有完全掌握混凝土在攪拌罐中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，所以有必要利用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)混凝土在攪拌運(yùn)輸車(chē)中的運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行研究。


【發(fā)明內(nèi)容】

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[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，尋求設(shè)計(jì)一種混凝土運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量系統(tǒng)，將包括三軸加速傳感器、三軸磁傳感器和三軸陀螺儀傳感器的傳感器單元構(gòu)成的測(cè)量系統(tǒng)投放在混凝土攪拌灌中，對(duì)混凝土運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，分析采集數(shù)據(jù)，得到混凝土在攪拌罐中的加速度、角速度和磁場(chǎng)強(qiáng)度信息，利用軟件工具進(jìn)行慣導(dǎo)解算，實(shí)現(xiàn)攪拌罐中混凝土的運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明裝置的主體結(jié)構(gòu)包括電源開(kāi)關(guān)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、微處理器、傳感器單元和接口單元，傳感器單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、電源開(kāi)關(guān)和接口單元分別與微處理器電信息連通，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的分析、處理和解算；傳感器單元為獨(dú)立的封閉結(jié)構(gòu)；電源開(kāi)關(guān)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和微處理器采用常規(guī)的現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)；接口單元由JATG 口和串口調(diào)試口電信息連通組成；具有信息采集功能的傳感器單元包括基于MEMS三軸加速度傳感器、三軸磁場(chǎng)傳感器和三軸陀螺儀傳感器，各傳感器集成設(shè)計(jì)成為密封式一體結(jié)構(gòu)并協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土攪拌罐中物料運(yùn)動(dòng)的各方向加速度、角加速度和磁場(chǎng)變化的測(cè)定；放入混凝土攪拌罐中的傳感器單元的初始位置為混凝土卸料口，先按照采樣要求設(shè)定好采樣頻率參數(shù)，并記錄初始位置經(jīng)緯度和離地高度的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，當(dāng)傳感器單元在混凝土攪拌罐體中運(yùn)行時(shí)，傳感器單元對(duì)其自身在攪拌罐中運(yùn)動(dòng)時(shí)所得到的加速度信息進(jìn)行采集，再將采集后的各個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中，以備后續(xù)讀取數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元與傳感器單元之間采用有線(xiàn)通信，實(shí)現(xiàn)將每個(gè)傳感器單元所采集的數(shù)據(jù)通過(guò)SD卡順利取出，以便輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)解算。
[0005]本發(fā)明涉及的傳感器單元采用具有低功耗工作模式的MEMS傳感器結(jié)構(gòu)，選擇意法半導(dǎo)體軸LSM9DS0傳感模塊，實(shí)現(xiàn)三軸加速度傳感器、三軸陀螺傳感器和三軸磁場(chǎng)傳感器的綜合功能；其測(cè)量最大角速率為2000dps，最大磁場(chǎng)強(qiáng)度為12gauss，最大加速度為16g，輸出量程可選，供電電壓為2.16V，具有掉電保護(hù)和低能耗省電以及自測(cè)試功能；LSM9DS0傳感模塊內(nèi)置有一個(gè)I2C通訊接口和一個(gè)SPI標(biāo)準(zhǔn)接口，傳感器單元通過(guò)I2C接口和SPI接口與微處理器電信息相連；傳感器單元內(nèi)含引腳中斷信號(hào)，具有檢測(cè)運(yùn)動(dòng)和磁場(chǎng)的能力，閾值和時(shí)間中斷由最終用戶(hù)編程設(shè)定；LSM9DS0傳感模塊采用塑料柵格陣列封裝，在-400C到+85°C的溫度范圍內(nèi)使用。
[0006]本發(fā)明涉及的微處理器采用ARM Cortex-M4系列的STM32F407芯片，具有數(shù)字信號(hào)混合控制功能，內(nèi)嵌浮點(diǎn)運(yùn)算模塊完成復(fù)雜的DSP運(yùn)算；STM32F407將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及外設(shè)接口集成為一體結(jié)構(gòu)，通過(guò)其內(nèi)部集成的功率管理單元調(diào)整內(nèi)部的電壓轉(zhuǎn)換器。
[0007]本發(fā)明涉及的電源開(kāi)關(guān)采用具有電源管理功能的電池供電方式，主電源為L(zhǎng)P5996雙路輸出線(xiàn)性低壓差穩(wěn)壓芯片(LDO)，具有3.0V和3.3V的二路獨(dú)立控制的LDO輸出，禁止芯片吸收的虛電流低于ΙΟηΑ，輸出35 μ A超低靜態(tài)電流，具有過(guò)熱、過(guò)流自關(guān)斷保護(hù)功能，
3.0V電壓供給各IP2上位機(jī)接口的傳感器單元使用，3.3V電壓供微處理器使用。
[0008]本發(fā)明涉及的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元具有并行接口與串行接口，選擇AT45DB161串行Flash暫存數(shù)據(jù)，其工作電壓為2.5V，工作電流為4mA ;在進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，減少數(shù)據(jù)讀寫(xiě)次數(shù)以降低系統(tǒng)功耗，采集到數(shù)據(jù)時(shí)先將其以較緊湊的格式存儲(chǔ)在板載的串行Flash器件內(nèi)，當(dāng)數(shù)據(jù)在板載串行的Flash期間保存的數(shù)據(jù)量達(dá)到512KB容量時(shí)，將Flash器件內(nèi)的數(shù)據(jù)以頁(yè)讀的方式在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行讀取和處理，txt文本文件格式保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的SD卡4內(nèi)，或?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到并行的Flash器件內(nèi)長(zhǎng)久保存；保存后的數(shù)據(jù)將在串行Flash內(nèi)循環(huán)進(jìn)行使用；SD卡內(nèi)的文件命名方式以試驗(yàn)時(shí)間及采集數(shù)據(jù)的時(shí)間作為依據(jù)，將其定義為:XX-XX-XX(年-月-日)，XX表示所占的數(shù)據(jù)位數(shù)為兩位,下文中XX符號(hào)所表示含義同此，各個(gè)數(shù)據(jù)段之間以逗號(hào)隔開(kāi)，如下:
[0009](I)將文件內(nèi)采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的格式定義為:XX-XX(時(shí)-分)；
[0010](2)三軸加速度傳感器產(chǎn)生的三方向軸的加速度數(shù)據(jù)為:xx.x，yy.y，zz.z (保留一位小數(shù)，單位m/S2)；
[0011](3)三軸陀螺傳感器產(chǎn)生的三方向軸的角速度數(shù)據(jù)為:χχ.X，yy.y, ZZ.z (保留一位小數(shù)，單位° /s)；
[0012](4)三軸磁場(chǎng)傳感器產(chǎn)生的三方向軸的磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)為XX.X，yy.x, zz.z (保留一位小數(shù)，單位gauss)。
[0013]本發(fā)明涉及的傳感器單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與存儲(chǔ)，將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)USB或SD卡讀出并解算得到結(jié)果，其流程如圖2所示；基于MATLAB軟件的捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)解算是將用于慣性測(cè)量的各傳感器模塊固聯(lián)在載體表面構(gòu)成傳感器單元，通過(guò)傳感器單元測(cè)量載體運(yùn)動(dòng)的加速度與角速度參數(shù)，然后將采集的信息參數(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)解算出物體的運(yùn)動(dòng)方向和狀態(tài)信息，再利用傳感器單元對(duì)混凝土運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行測(cè)量，將航姿測(cè)量的基本理論應(yīng)用于地面的混凝土攪拌罐中的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的分析，得到適合的姿態(tài)矩陣計(jì)算方案，并將其用于慣導(dǎo)解算軟件的計(jì)算，求出姿態(tài)矩陣或姿態(tài)角；混凝土物料在混凝土攪拌罐中的運(yùn)動(dòng)軌跡，包含姿態(tài)角與加速度線(xiàn)性作用變化；傳感器單元位置的變化是重要因素，先后出現(xiàn)許多姿態(tài)矩陣更新算法，并且需要對(duì)整個(gè)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行解算得出；將采集到的加速度信息利用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)原理的計(jì)算方法在PC端的MATLAB軟件中進(jìn)行仿真處理，通過(guò)MATLAB軟件的矩陣運(yùn)算及數(shù)值分析功能，繪制出傳感器單元采集的信息數(shù)據(jù)仿真曲線(xiàn)，分析混凝土攪拌罐中的隨混凝土運(yùn)動(dòng)軌跡，并分析混凝土離析現(xiàn)象。
[0014]本發(fā)明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)混凝土運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量的步驟是:先將傳感器單元固聯(lián)在載體表面，再將載體放入混凝土攪拌車(chē)中進(jìn)行采集得到載體運(yùn)動(dòng)的加速度與角速度參數(shù)，然后將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)解算出物料的運(yùn)動(dòng)方向和姿態(tài)信息，分析得到混凝土運(yùn)動(dòng)軌跡，混凝土攪拌罐中混凝土物料運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量參數(shù)是物料運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)角與加速度，將采集到的加速度信息利用常規(guī)的捷聯(lián)慣導(dǎo)解算程序在PC端已有的MATLAB軟件中進(jìn)行處理，通過(guò)MATLAB軟件的矩陣運(yùn)算和數(shù)值分析功能，繪制出傳感器單元在混凝土攪拌車(chē)中的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)，即為混凝土運(yùn)動(dòng)的軌跡，作為分析混凝土離析現(xiàn)象的數(shù)據(jù)。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理可靠，測(cè)量操作簡(jiǎn)單，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，造價(jià)低，能耗小，使用環(huán)境友好，使用壽命長(zhǎng)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
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[0016]圖1為本發(fā)明裝置的硬件組成結(jié)構(gòu)原理示意框圖。
[0017]圖2為本發(fā)明裝置的實(shí)現(xiàn)測(cè)量的工藝流程框圖。
[0018]圖3為本發(fā)明涉及的數(shù)據(jù)解算流程示意圖。

【具體實(shí)施方式】
:
[0019]下面通過(guò)實(shí)施例并結(jié)合附圖做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0020]實(shí)施例1:
[0021]本實(shí)施例的主體結(jié)構(gòu)包括電源開(kāi)關(guān)1、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元2、微處理器12、傳感器單元11和接口單元7，傳感器單元11、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元2、電源開(kāi)關(guān)I和接口單元7分別與微處理器12電信息連通，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的分析、處理和解算；傳感器單元11為獨(dú)立的封閉結(jié)構(gòu)；電源開(kāi)關(guān)1、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元2和微處理器12采用常規(guī)的現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)；接口單元7由JATG 口 5和串口調(diào)試口 6電信息連通組成；具有信息采集功能的傳感器單元11包括基于MEMS三軸加速度傳感器8、三軸磁場(chǎng)傳感器9和三軸陀螺儀傳感器10，各傳感器集成設(shè)計(jì)成為密封式一體結(jié)構(gòu)并協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土攪拌罐中物料運(yùn)動(dòng)的各方向加速度、角加速度和磁場(chǎng)變化的測(cè)定；放入混凝土攪拌罐中的傳感器單元11的初始位置為混凝土卸料口，先按照采樣要求設(shè)定好采樣頻率參數(shù)，并記錄初始位置經(jīng)緯度和離地高度的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，當(dāng)傳感器單元11在混凝土攪拌罐體中運(yùn)行時(shí)，傳感器單元11對(duì)其自身在攪拌罐中運(yùn)動(dòng)時(shí)所得到的加速度信息進(jìn)行采集，再將采集后的各個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元2中，以備后續(xù)讀取數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元2與傳感器單元11之間采用有線(xiàn)通信，實(shí)現(xiàn)將每個(gè)傳感器單元11所采集的數(shù)據(jù)通過(guò)SD卡4順利取出，以便輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)解算。
[0022]本實(shí)施例涉及的傳感器單元11采用具有低功耗工作模式的MEMS傳感器結(jié)構(gòu)，選擇意法半導(dǎo)體9軸LSM9DS0傳感模塊，實(shí)現(xiàn)三軸加速度傳感器、三軸陀螺傳感器和三軸磁場(chǎng)傳感器的綜合功能；其測(cè)量最大角速率為2000dps,最大磁場(chǎng)強(qiáng)度為12gauss,最大加速度為16g,輸出量程可選,供電電壓為2.16V,具有掉電保護(hù)和低能耗省電以及自測(cè)試功能；LSM9DS0傳感模塊內(nèi)置有一個(gè)I2C通訊接口和一個(gè)SPI標(biāo)準(zhǔn)接口，傳感器單元11通過(guò)I2C接口和SPI接口與微處理器12電信息相連；傳感器單元11內(nèi)含引腳中斷信號(hào)，具有檢測(cè)運(yùn)動(dòng)和磁場(chǎng)的能力，閾值和時(shí)間中斷由最終用戶(hù)編程設(shè)定；LSM9DS0傳感模塊采用塑料柵格陣列封裝，在_40°C到+85°C的溫度范圍內(nèi)使用。
[0023]本實(shí)施例涉及的微處理器12采用ARM Cortex_M4系列的STM32F407芯片，具有數(shù)字信號(hào)混合控制功能，內(nèi)嵌浮點(diǎn)運(yùn)算模塊完成復(fù)雜的DSP運(yùn)算；STM32F407將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及外設(shè)接口集成為一體結(jié)構(gòu)，通過(guò)其內(nèi)部集成的功率管理單元調(diào)整內(nèi)部的電壓轉(zhuǎn)換器。
[0024]本實(shí)施例涉及的電源開(kāi)關(guān)I采用具有電源管理功能的電池供電方式，主電源為L(zhǎng)P5996雙路輸出線(xiàn)性低壓差穩(wěn)壓芯片(LDO)，具有3.0V和3.3V的二路獨(dú)立控制的LDO輸出，禁止芯片吸收的虛電流低于ΙΟηΑ，輸出35 μ A超低靜態(tài)電流，具有過(guò)熱、過(guò)流自關(guān)斷保護(hù)功能，3.0V電壓供給各IP2上位機(jī)接口的傳感器單元11使用，3.3V電壓供微處理器12使用。
[0025]本實(shí)施例涉及的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元2具有并行接口與串行接口，選擇AT45DB161串行Flash暫存數(shù)據(jù)，其工作電壓為2.5V，工作電流為4mA ;在進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，減少數(shù)據(jù)讀寫(xiě)次數(shù)以降低系統(tǒng)功耗，采集到數(shù)據(jù)時(shí)先將其以較緊湊的格式存儲(chǔ)在板載的串行Flash器件3內(nèi)，當(dāng)數(shù)據(jù)在板載串行的Flash期間保存的數(shù)據(jù)量達(dá)到512KB容量時(shí)，將Flash器件3內(nèi)的數(shù)據(jù)以頁(yè)讀的方式在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行讀取和處理，txt文本文件格式保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元2的SD卡4內(nèi)，或?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到并行的Flash器件3內(nèi)長(zhǎng)久保存；保存后的數(shù)據(jù)將在串行Flash內(nèi)循環(huán)進(jìn)行使用；SD卡4內(nèi)的文件命名方式以試驗(yàn)時(shí)間及采集數(shù)據(jù)的時(shí)間作為依據(jù)，將其定義為:XX-XX-XX(年-月-日)，XX表示所占的數(shù)據(jù)位數(shù)為兩位，下文中XX符號(hào)所表示含義同此，各個(gè)數(shù)據(jù)段之間以逗號(hào)隔開(kāi)，如下:
[0026](I)將文件內(nèi)采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的格式定義為:xx-xx(時(shí)-分)；
[0027](2)三軸加速度傳感器產(chǎn)生的三方向軸的加速度數(shù)據(jù)為:xx.x，yy.y，zz.z (保留一位小數(shù)，單位m/S2)；
[0028](3)三軸陀螺傳感器產(chǎn)生的三方向軸的角速度數(shù)據(jù)為:XX.X，yy.y，ZZ.Z(保留一位小數(shù)，單位° /s)；
[0029](4)三軸磁場(chǎng)傳感器產(chǎn)生的三方向軸的磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)為XX.X，yy.x, zz.z (保留一位小數(shù)，單位gauss)。
[0030]本實(shí)施例涉及的傳感器單元11對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與存儲(chǔ)，將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)USB或SD卡4讀出并解算得到結(jié)果，其流程如圖2所示；基于MATLAB軟件的捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)解算是將用于慣性測(cè)量的各傳感器模塊固聯(lián)在載體表面構(gòu)成傳感器單元11，通過(guò)傳感器單元11測(cè)量載體運(yùn)動(dòng)的加速度與角速度參數(shù)，然后將采集的信息參數(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)解算出物體的運(yùn)動(dòng)方向和狀態(tài)信息，再利用傳感器單元11對(duì)混凝土運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行測(cè)量，將航姿測(cè)量的基本理論應(yīng)用于地面的混凝土攪拌罐中的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的分析，得到適合的姿態(tài)矩陣計(jì)算方案，并將其用于慣導(dǎo)解算軟件的計(jì)算，求出姿態(tài)矩陣或姿態(tài)角；混凝土物料在混凝土攪拌罐中的運(yùn)動(dòng)軌跡，包含姿態(tài)角與加速度線(xiàn)性作用變化；傳感器單元11位置的變化是重要因素，先后出現(xiàn)許多姿態(tài)矩陣更新算法，并且需要對(duì)整個(gè)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行解算得出；將采集到的加速度信息利用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)原理的計(jì)算方法在PC端的MATLAB軟件中進(jìn)行仿真處理，通過(guò)MATLAB軟件的矩陣運(yùn)算及數(shù)值分析功能，繪制出傳感器單元11采集的信息數(shù)據(jù)仿真曲線(xiàn)，分析混凝土攪拌罐中的隨混凝土運(yùn)動(dòng)軌跡，并分析混凝土離析現(xiàn)象。
[0031]本實(shí)施例系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)混凝土運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量的步驟是:先將傳感器單元11固聯(lián)在載體表面，再將載體放入混凝土攪拌車(chē)中進(jìn)行采集得到載體運(yùn)動(dòng)的加速度與角速度參數(shù)，然后將傳感器11采集的數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)解算出物料的運(yùn)動(dòng)方向和姿態(tài)信息，分析得到混凝土運(yùn)動(dòng)軌跡，混凝土攪拌罐中混凝土物料運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量參數(shù)是物料運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)角與加速度，將采集到的加速度信息利用常規(guī)的捷聯(lián)慣導(dǎo)解算程序在PC端已有的MATLAB軟件中進(jìn)行處理，通過(guò)MATLAB軟件的矩陣運(yùn)算和數(shù)值分析功能，繪制出傳感器單元11在混凝土攪拌車(chē)中的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)，即為混凝土運(yùn)動(dòng)的軌跡，作為分析混凝土離析現(xiàn)象的數(shù)據(jù)。
[0032]實(shí)施例2:
[0033]本實(shí)施例涉及的工具設(shè)備為容積為15立方米的混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)一輛；8立方米塌落度為50的混凝土 ；傳感器單元5個(gè)；金屬探測(cè)器I個(gè)；傳感器單元11加裝LED指示燈及金屬條并進(jìn)行封裝，以便測(cè)量后找回傳感器；設(shè)定傳感器單元11存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的頻率為10Hz，時(shí)間持續(xù)20分鐘；其測(cè)量過(guò)程為
[0034](I)在混凝土攪拌灌中裝入8立方米塌落度為50的混凝土，啟動(dòng)攪拌罐運(yùn)轉(zhuǎn)以每分鐘12轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)攪拌15分鐘以達(dá)到穩(wěn)態(tài)；
[0035](2)將五個(gè)傳感器單元11置于混凝土攪拌罐入料口，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)I，記錄此時(shí)高度及經(jīng)緯度，設(shè)置為初始零點(diǎn)，微處理器12開(kāi)始工作，此時(shí)數(shù)據(jù)存數(shù)單元2開(kāi)始記錄初始數(shù)據(jù)；將傳感器單元投入攪拌罐中與罐內(nèi)混凝土一同運(yùn)動(dòng)，以此達(dá)到模擬混凝土中石塊的目的；
[0036](3)傳感器單元11對(duì)自身在混凝土攪拌罐中運(yùn)動(dòng)得到的加速度等信息進(jìn)行采集，通過(guò)微處理器12及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元2將采集之后的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元2中；
[0037](4)對(duì)混凝土攪拌罐中的混凝土進(jìn)行卸料，利用肉眼觀察指示燈及金屬探測(cè)器，找到混凝土中的5個(gè)傳感器單元11，將傳感器單元11中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元2的內(nèi)存卡取出，在PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取；
[0038](5)在市售的MATLAB軟件中利用捷連慣導(dǎo)原理及相關(guān)程序，將讀取的加速度、角加速度等數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入程序中，得到各個(gè)數(shù)據(jù)的變化曲線(xiàn)，擬合三維空間的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)，得到混凝土在攪拌罐中的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)測(cè)量目的。
【權(quán)利要求】
1.一種混凝土運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于主體結(jié)構(gòu)包括電源開(kāi)關(guān)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、微處理器、傳感器單元和接口單元，傳感器單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、電源開(kāi)關(guān)和接口單元分別與微處理器電信息連通，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的分析、處理和解算；傳感器單元為獨(dú)立的封閉結(jié)構(gòu)；電源開(kāi)關(guān)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和微處理器采用常規(guī)的現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)；接口單元由JATG 口和串口調(diào)試口電信息連通組成；具有信息采集功能的傳感器單元包括基于MEMS三軸加速度傳感器、三軸磁場(chǎng)傳感器和三軸陀螺儀傳感器，各傳感器集成設(shè)計(jì)成為密封式一體結(jié)構(gòu)并協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土攪拌罐中物料運(yùn)動(dòng)的各方向加速度、角加速度和磁場(chǎng)變化的測(cè)定；放入混凝土攪拌罐中的傳感器單元的初始位置為混凝土卸料口，先按照采樣要求設(shè)定好采樣頻率參數(shù)，并記錄初始位置經(jīng)緯度和離地高度的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，當(dāng)傳感器單元在混凝土攪拌罐體中運(yùn)行時(shí)，傳感器單元對(duì)其自身在攪拌罐中運(yùn)動(dòng)時(shí)所得到的加速度信息進(jìn)行采集，再將采集后的各個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中，以備后續(xù)讀取數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元與傳感器單元之間采用有線(xiàn)通信，實(shí)現(xiàn)將每個(gè)傳感器單元所采集的數(shù)據(jù)通過(guò)SD卡順利取出，以便輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)解算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混凝土運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于涉及的傳感器單元采用具有低功耗工作模式的MEMS傳感器結(jié)構(gòu)，選擇意法半導(dǎo)體軸LSM9DS0傳感模塊，實(shí)現(xiàn)三軸加速度傳感器、三軸陀螺傳感器和三軸磁場(chǎng)傳感器的綜合功能；其測(cè)量最大角速率為2000dps,最大磁場(chǎng)強(qiáng)度為12gauss,最大加速度為16g,輸出量程可選,供電電壓為2.16V,具有掉電保護(hù)和低能耗省電以及自測(cè)試功能；LSM9DS0傳感模塊內(nèi)置有一個(gè)I2C通訊接口和一個(gè)SPI標(biāo)準(zhǔn)接口，傳感器單元通過(guò)I2C接口和SPI接口與微處理器電信息相連；傳感器單元內(nèi)含引腳中斷信號(hào)，具有檢測(cè)運(yùn)動(dòng)和磁場(chǎng)的能力，閾值和時(shí)間中斷由最終用戶(hù)編程設(shè)定；LSM9DS0傳感模塊采用塑料柵格陣列封裝，在_40°C到+85°C的溫度范圍內(nèi)使用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混凝土運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于涉及的微處理器采用ARM Cortex-M4系列的STM32F407芯片，具有數(shù)字信號(hào)混合控制功能，內(nèi)嵌浮點(diǎn)運(yùn)算模塊完成復(fù)雜的DSP運(yùn)算；STM32F407將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及外設(shè)接口集成為一體結(jié)構(gòu)，通過(guò)其內(nèi)部集成的功率管理單元調(diào)整內(nèi)部的電壓轉(zhuǎn)換器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混凝土運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于涉及的電源開(kāi)關(guān)采用具有電源管理功能的電池供電方式，主電源為L(zhǎng)P5996雙路輸出線(xiàn)性低壓差穩(wěn)壓芯片(LDO)，具有3.0V和3.3V的二路獨(dú)立控制的LDO輸出，禁止芯片吸收的虛電流低于ΙΟηΑ，輸出35 μ A超低靜態(tài)電流，具有過(guò)熱、過(guò)流自關(guān)斷保護(hù)功能，3.0V電壓供給各IP2上位機(jī)接口的傳感器單元使用，3.3V電壓供微處理器使用。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混凝土運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于涉及的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元具有并行接口與串行接口，選擇AT45DB161串行Flash暫存數(shù)據(jù)，其工作電壓為2.5V，工作電流為4mA ;在進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，減少數(shù)據(jù)讀寫(xiě)次數(shù)以降低系統(tǒng)功耗，采集到數(shù)據(jù)時(shí)先將其以較緊湊的格式存儲(chǔ)在板載的串行Flash器件內(nèi)，當(dāng)數(shù)據(jù)在板載串行的Flash期間保存的數(shù)據(jù)量達(dá)到512KB容量時(shí)，將Flash器件內(nèi)的數(shù)據(jù)以頁(yè)讀的方式在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行讀取和處理，txt文本文件格式保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的SD卡4內(nèi)，或?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到并行的Flash器件內(nèi)長(zhǎng)久保存；保存后的數(shù)據(jù)將在串行Flash內(nèi)循環(huán)進(jìn)行使用；SD卡內(nèi)的文件命名方式以試驗(yàn)時(shí)間及采集數(shù)據(jù)的時(shí)間作為依據(jù)，將其定義為:XX-XX-XX(年-月-日)，XX表示所占的數(shù)據(jù)位數(shù)為兩位，下文中XX符號(hào)所表示含義同此，各個(gè)數(shù)據(jù)段之間以逗號(hào)隔開(kāi)，如下: (1)將文件內(nèi)采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的格式定義為:XX-XX(時(shí)-分)； (2)三軸加速度傳感器產(chǎn)生的三方向軸的加速度數(shù)據(jù)為:χχ.χ, yy.y，zz.z (保留一位小數(shù)，單位m/S2)； (3)三軸陀螺傳感器產(chǎn)生的三方向軸的角速度數(shù)據(jù)為:χχ.χ, yy.y，zz.z (保留一位小數(shù)，單位° /s)； (4)三軸磁場(chǎng)傳感器產(chǎn)生的三方向軸的磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)為XX.χ, yy.χ, ζζ.ζ (保留一位小數(shù)，單位gauss)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混凝土運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于涉及的傳感器單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與存儲(chǔ)，將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)USB或SD卡讀出并解算得到結(jié)果；基于MATLAB軟件的捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)解算是將用于慣性測(cè)量的各傳感器模塊固聯(lián)在載體表面構(gòu)成傳感器單元，通過(guò)傳感器單元測(cè)量載體運(yùn)動(dòng)的加速度與角速度參數(shù)，然后將采集的信息參數(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)解算出物體的運(yùn)動(dòng)方向和狀態(tài)信息，再利用傳感器單元對(duì)混凝土運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行測(cè)量，將航姿測(cè)量的基本理論應(yīng)用于地面的混凝土攪拌罐中的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的分析，得到適合的姿態(tài)矩陣計(jì)算方案，并將其用于慣導(dǎo)解算軟件的計(jì)算，求出姿態(tài)矩陣或姿態(tài)角；混凝土物料在混凝土攪拌罐中的運(yùn)動(dòng)軌跡，包含姿態(tài)角與加速度線(xiàn)性作用變化；傳感器單元位置的變化是重要因素，先后出現(xiàn)許多姿態(tài)矩陣更新算法，并且需要對(duì)整個(gè)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行解算得出；將采集到的加速度信息利用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)原理的計(jì)算方法在PC端的MATLAB軟件中進(jìn)行仿真處理，通過(guò)MATLAB軟件的矩陣運(yùn)算及數(shù)值分析功能，繪制出傳感器單元采集的信息數(shù)據(jù)仿真曲線(xiàn)，分析混凝土攪拌罐中的隨混凝土運(yùn)動(dòng)軌跡，并分析混凝土離析現(xiàn)象。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混凝土運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)混凝土運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量的步驟是:先將傳感器單元固聯(lián)在載體表面，再將載體放入混凝土攪拌車(chē)中進(jìn)行采集得到載體運(yùn)動(dòng)的加速度與角速度參數(shù)，然后將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)解算出物料的運(yùn)動(dòng)方向和姿態(tài)信息，分析得到混凝土運(yùn)動(dòng)軌跡，混凝土攪拌罐中混凝土物料運(yùn)動(dòng)軌跡的測(cè)量參數(shù)是物料運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)角與加速度，將采集到的加速度信息利用常規(guī)的捷聯(lián)慣導(dǎo)解算程序在PC端已有的MATLAB軟件中進(jìn)行處理，通過(guò)MATLAB軟件的矩陣運(yùn)算和數(shù)值分析功能，繪制出傳感器單元在混凝土攪拌車(chē)中的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)，即為混凝土運(yùn)動(dòng)的軌跡，作為分析混凝土離析現(xiàn)象的數(shù)據(jù)。
【文檔編號(hào)】G01C21/00GK104359479SQ201410714417
【公開(kāi)日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月28日
【發(fā)明者】王豐元, 蔣鑫, 孫剛, 劉立新, 牟瑞濤 申請(qǐng)人:青島理工大學(xué)