本發(fā)明屬于智能監(jiān)控領(lǐng)域，尤其涉及一種三維運(yùn)動(dòng)姿態(tài)感知裝置。

背景技術(shù)：

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，現(xiàn)階段制造監(jiān)測(cè)行業(yè)與運(yùn)輸監(jiān)控行業(yè)過程正面向智能化、高速化、集成化方向發(fā)展，隨著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、智能檢測(cè)技術(shù)等高新技術(shù)的飛速發(fā)展，智能感知技術(shù)正參與到動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及智能采集過程中，而且這種技術(shù)在整個(gè)智能監(jiān)控系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。例如，重大設(shè)備、精密儀器、?；锲返蓉浧返陌踩\(yùn)輸問題都涉及到智能監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)用，在運(yùn)輸智能監(jiān)控系統(tǒng)中，車輛運(yùn)行的三維姿態(tài)的感知技術(shù)起到了及其重要的作用。當(dāng)車輛運(yùn)行姿態(tài)感知裝置會(huì)實(shí)時(shí)采集車輛運(yùn)行姿態(tài)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，當(dāng)超限時(shí)裝置發(fā)出報(bào)警信號(hào)，駕駛員可以及時(shí)調(diào)整安全駕駛策略；路程結(jié)束后，駕駛員可以隨時(shí)查看歷史報(bào)警超限數(shù)據(jù)，并進(jìn)行大數(shù)據(jù)比對(duì)分析，得出安全預(yù)警信息，這樣極大程度的降低了運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)。

綜上，三維姿態(tài)智能感知技術(shù)對(duì)于保障運(yùn)輸安全、加強(qiáng)物品運(yùn)輸監(jiān)控和緊急事故預(yù)警具有十分重要的意義?，F(xiàn)階段我們正需要這種科技前沿的智能感知電子裝置或儀器，來滿足各大行業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)需求。此種創(chuàng)新的高科技智能感知裝置的引入必將提高制造工業(yè)生產(chǎn)效率和降低運(yùn)輸行業(yè)物品損害程度，給社會(huì)上普遍需要工業(yè)過程監(jiān)控的行業(yè)都帶來了實(shí)用性的益處。

目前的運(yùn)輸行業(yè)和制造業(yè)生產(chǎn)線等的智能監(jiān)控領(lǐng)域中，缺乏現(xiàn)代化的前沿監(jiān)控技術(shù)手段，突出表現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床運(yùn)行、車輛運(yùn)輸行駛等過程中，對(duì)被監(jiān)測(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)有如下缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)采集頻率低、數(shù)據(jù)采集精度低，感知傳感器數(shù)字分辨率有限，處理器模塊功能不夠強(qiáng)大，實(shí)時(shí)分析處理能力不足，有線通訊接口單一等，導(dǎo)致智能監(jiān)控過程中重要數(shù)據(jù)信息無法及時(shí)匯報(bào)和存儲(chǔ)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種三維運(yùn)動(dòng)姿態(tài)感知裝置，其處理器主頻高（高達(dá)180m），傳感器分辨率高(角度分辨率0.5°），裝置精度高（滿量程相對(duì)精度達(dá)到2‰）。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，包括主控模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、用于為各模塊提供工作電源的電壓轉(zhuǎn)換模塊、rs485串行通訊模塊、姿態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊、超限數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊及usb上位機(jī)通訊模塊。

所述電源轉(zhuǎn)換模塊與電壓轉(zhuǎn)換模塊相連。

所述主控模塊分別與rs485串行通訊模塊、姿態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊、超限數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊及usb上位機(jī)通訊模塊相連。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述主控模塊采用st公司的armcortex-m系列嵌入式單片機(jī)stm32f407作為核心控制芯片；所述rs485串行通訊模塊與rs485接口相連；所述usb上位機(jī)通訊模塊與miniusb接口相連，所述電源轉(zhuǎn)換模塊與外部電源相連。

作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，所述電源轉(zhuǎn)換模塊包括電源轉(zhuǎn)換芯片up1；外部電源經(jīng)過流過壓保護(hù)電路后再經(jīng)lcπ型濾波電路濾波后輸入至up1的輸入端；所述過流過壓保護(hù)電路包括自恢復(fù)保險(xiǎn)fp1及與fp1相連的穩(wěn)壓管tp1；所述lcπ型濾波電路包括電感l(wèi)p1、并聯(lián)聯(lián)接的貼片電容cp1與鉭電容ep1、并聯(lián)聯(lián)接的貼片電容cp2與鉭電容ep2；所述cp1與ep1并聯(lián)后再與lp1的一端相連，所述cp2與ep2并聯(lián)后再與lp1的另一端相連。

作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，所述電壓轉(zhuǎn)換模塊采用實(shí)現(xiàn)低功耗降壓集成芯片b1205xt-2wr2，所述降壓集成芯片的輸出端連接有用于顯示是否有正常電壓輸出的led指示燈；所述降壓集成芯片的輸入及輸出均連接有濾波電路。

作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，所述姿態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊采用is公司推出的全球首款整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件mpu-6050。

作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，所述超限數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用w25q128fvsg芯片作為數(shù)據(jù)本機(jī)存儲(chǔ)器。

作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，所述rs485串行通訊模塊包括作為串行通訊器的芯片us1，所述芯片us1采用sp3485芯片；us1的a腳串接有一自恢復(fù)保險(xiǎn)絲fs1，us1的b腳串接有一自恢復(fù)保險(xiǎn)絲fs2，所述fs1與fs2作為二級(jí)過流保護(hù)；所述us1的a腳接有一與輸入電壓并聯(lián)的快速熔斷tvs管ts1，所述us1的b腳接有一與輸入電壓并聯(lián)的快速熔斷tvs管ts2，所述ts1與ts2作為二級(jí)過壓保護(hù)。

作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，所述fs1及fs2的標(biāo)稱值均為1a，所述ts1及ts2的標(biāo)稱值均為smbj6.0ca。

作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，所述usb上位機(jī)通訊模塊采用ch340g芯片作為轉(zhuǎn)換芯片。

與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明有益效果。

本發(fā)明設(shè)置特殊lcπ型濾波電路，應(yīng)用在電源輸入前端，起到了從低頻到高頻的寬頻域?yàn)V除外部電源紋波和大程度降低外部電磁干擾的作用。

本發(fā)明采用is公司推出的全球首款整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時(shí)之軸間差的問題，減少了安裝空間。此6軸傳感器內(nèi)部整合了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，利用自帶的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器硬件加速引擎，實(shí)時(shí)采集被測(cè)設(shè)備的角速度信息，采樣頻率可達(dá)200hz，并通過嵌入式核心控制芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及姿態(tài)解算，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

本發(fā)明采用超限數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊實(shí)時(shí)存儲(chǔ)于本電路的存儲(chǔ)芯片中，主要實(shí)現(xiàn)超限數(shù)據(jù)備份存儲(chǔ)與帶有時(shí)間戳的歷史日志查詢功能。

本發(fā)明rs485串行通訊模塊具有一主多從、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾等特點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)感知裝置與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互。傳統(tǒng)的保護(hù)電路為單重保護(hù)，本電路加入二級(jí)過流、過壓保護(hù)電路。對(duì)裝置內(nèi)部rs485電路部分起到了雙重保護(hù)作用。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。本發(fā)明保護(hù)范圍不僅局限于以下內(nèi)容的表述。

圖1是本發(fā)明原理框圖。

圖2是本發(fā)明電源轉(zhuǎn)換模塊電路圖。

圖3是本發(fā)明電壓轉(zhuǎn)換模塊電路圖。

圖4是本發(fā)明主控模塊電路圖。

圖5是本發(fā)明姿態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊電路圖。

圖6是本發(fā)明超限數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊電路圖。

圖7是本發(fā)明rs485串行通訊模塊電路圖。

圖8是本發(fā)明usb上位機(jī)通訊模塊電路圖。

圖9是本發(fā)明外部供電接口及rs485接口示意圖。

圖10是本發(fā)明usb（mini）接口圖。

具體實(shí)施方式

如圖1-10所示，圖1中，本發(fā)明包括主控模塊（中央處理器）、電源轉(zhuǎn)換模塊（12v轉(zhuǎn)5v電壓轉(zhuǎn)換電路）、電壓轉(zhuǎn)換模塊（5v轉(zhuǎn)3.3v電壓轉(zhuǎn)換電路）、rs485串行通訊模塊（rs485通信電路）、姿態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊（mpu姿態(tài)及震動(dòng)傳感器）、超限數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊（flash外擴(kuò)存儲(chǔ)器）及usb上位機(jī)通訊模塊。

所述電源轉(zhuǎn)換模塊與電壓轉(zhuǎn)換模塊相連。電源轉(zhuǎn)換模塊與外部電源輸入相連，外部電源（12v）與電源轉(zhuǎn)換模塊相連，電源轉(zhuǎn)換模塊將12v轉(zhuǎn)為5v后與電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸入相連，電壓轉(zhuǎn)換模塊將5v轉(zhuǎn)3.3v后為中央處理器等各模塊供電。

所述主控模塊分別與電壓轉(zhuǎn)換模塊、rs485串行通訊模塊、姿態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊、超限數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊及usb上位機(jī)通訊模塊相連。所述主控模塊還連接有l(wèi)ed指示燈。所謂姿態(tài)，即物體在運(yùn)動(dòng)過程中所呈現(xiàn)x、y、z三個(gè)方向的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

優(yōu)選地，所述主控模塊采用st公司的armcortex-m系列單片機(jī)stm32f407作為核心芯片。所述rs485串行通訊模塊與rs485接口（圖1中的串行通信接口）相連；所述usb上位機(jī)通訊模塊與miniusb接口相連，所述電源轉(zhuǎn)換模塊與外部電源相連。

優(yōu)選地，所述電源轉(zhuǎn)換模塊包括電源轉(zhuǎn)換芯片up1（b1205s芯片）；外部電源經(jīng)過流過壓保護(hù)電路后再經(jīng)lcπ型濾波電路濾波后輸入至up1的輸入端；所述過流過壓保護(hù)電路包括自恢復(fù)保險(xiǎn)fp1及與fp1相連的穩(wěn)壓管tp1；所述lcπ型濾波電路包括電感l(wèi)p1、并聯(lián)聯(lián)接的貼片電容cp1與鉭電容ep1、并聯(lián)聯(lián)接的貼片電容cp2與鉭電容ep2；所述cp1與ep1并聯(lián)后再與lp1的一端相連，所述cp2與ep2并聯(lián)后再與lp1的另一端相連。

作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，所述電壓轉(zhuǎn)換模塊采用實(shí)現(xiàn)低功耗降壓集成芯片b1205xt-2wr2，所述芯片的輸出端連接有用于顯示是否有正常電壓輸出的led指示燈；所述降壓集成芯片的輸入及輸出均連接有濾波電路。

優(yōu)選地，所述姿態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊采用is公司推出的全球首款整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件mpu-6050。

優(yōu)選地所述超限數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用w25q128fvsg作為數(shù)據(jù)本機(jī)存儲(chǔ)器。

優(yōu)選地，所述rs485串行通訊模塊包括作為串行通訊器的芯片us1，所述芯片us1采用sp3485芯片；us1的a腳串接有一自恢復(fù)保險(xiǎn)絲fs1，us1的b腳串接有一自恢復(fù)保險(xiǎn)絲fs2，所述fs1與fs2作為二級(jí)過流保護(hù)；所述us1的a腳接有一與輸入電壓并聯(lián)的快速熔斷tvs管ts1，所述us1的b腳接有一與輸入電壓并聯(lián)的快速熔斷tvs管ts2，所述ts1與ts2作為二級(jí)過壓保護(hù)。

優(yōu)選地，所述自恢復(fù)保險(xiǎn)絲fs1及fs2的標(biāo)稱值均為1a，此標(biāo)稱值選取意義為：當(dāng)外部電流超過1a自恢復(fù)保險(xiǎn)絲快速熔斷，實(shí)現(xiàn)了過流保護(hù)后端內(nèi)部電路功能。所述瞬態(tài)抑制二極管ts1及ts2的標(biāo)稱值均為smbj6.0ca，此標(biāo)稱值選取意義為ts1及ts2做為限壓二極管，使到后端電路的電壓被箝制在6v左右，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)后端內(nèi)部電路的過壓保護(hù)。以上兩種標(biāo)稱值的選取均由發(fā)明裝置內(nèi)部電路聯(lián)合技術(shù)特性而定。

優(yōu)選地，所述usb上位機(jī)通訊模塊采用ch340g作為usb轉(zhuǎn)串口轉(zhuǎn)換芯片。

作為本發(fā)明的一種具體實(shí)施例。

本發(fā)明電源轉(zhuǎn)換模塊如圖2所示，p1接口為裝置總電源開關(guān)，控制裝置整體電源供電狀態(tài)，并與外部12v供電接口相連。整體裝置采用外部電源供電（鋰電池、車載電源等均可），采用隔離型金升陽電源轉(zhuǎn)換模塊（b1205s電源模塊），實(shí)現(xiàn)12v電壓轉(zhuǎn)換為5v，并且?guī)в凶曰謴?fù)保險(xiǎn)絲、π型濾波電路帶和led接通指示燈，具有過流保護(hù)及濾除紋波、降低干擾功能。具體地，電源轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)12v電壓轉(zhuǎn)換為5v，保護(hù)電路部分采用自恢復(fù)保險(xiǎn)fp1起到過流保護(hù)，選取標(biāo)稱值為750ma/6v。區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)，本電路輸入端加入lcπ型濾波電路和過流過壓保護(hù)電路。lcπ型濾波電路部分與傳統(tǒng)rcπ型濾波電路相比，即應(yīng)用電感l(wèi)p1代替電阻，此種替代可大幅度減小脈動(dòng)的直流電壓中的交流成分，保留其直流成分，使輸出電壓紋波系數(shù)降低，波形變得比較平滑。并且π型兩端均采用大小兩種標(biāo)稱值的普通電容cp1、cp2和鉭電容ep1、ep2。本發(fā)明專利的特殊π型濾電路應(yīng)用在電源輸入前端，起到了從低頻到高頻的寬頻域?yàn)V除外部電源紋波和大程度降低外部電磁干擾的作用。

如圖3所示，為電壓轉(zhuǎn)換電路，采用低功耗高效率的降壓集成芯片b1205xt-2wr2，實(shí)現(xiàn)5v轉(zhuǎn)換為3.3v電壓轉(zhuǎn)換，并帶有π型濾波電路和led接通指示燈，轉(zhuǎn)換后的3.3v電壓用于電路其余部分供電。

如圖4所示，主控模塊采用st公司的armcortex-m系列高性能芯片stm32f407作為核心控制芯片。

如圖5所示，姿態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊選用高精度姿態(tài)感知傳感器，具體地，采用is公司推出的全球首款整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件mpu-6050。相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時(shí)之軸間差的問題，減少了安裝空間。此6軸傳感器內(nèi)部整合了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，利用自帶的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器硬件加速引擎，實(shí)時(shí)采集被測(cè)設(shè)備的角速度信息，采樣頻率可達(dá)200hz，并通過嵌入式核心控制芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及姿態(tài)解算，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。該傳感器的scl腳、sdi腳及int腳分別與主控模塊相連。

如圖6所示，為本發(fā)明超限數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，設(shè)備姿態(tài)超限報(bào)警信息實(shí)時(shí)存儲(chǔ)于該存儲(chǔ)芯片中，主要實(shí)現(xiàn)超限數(shù)據(jù)備份存儲(chǔ)與帶有時(shí)間戳的歷史日志查詢功能。該存儲(chǔ)芯片（w25q128fvsg）的cs腳、so腳、wp腳、clk腳及si腳分別與主控模塊相連。

如圖7所示，rs485串行通訊電路具有一主多從、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾等特點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)感知裝置與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互。本電路選取sp3485芯片作為串行通訊器；傳統(tǒng)的保護(hù)電路大部分為單重保護(hù)，本電路加入二級(jí)過流、過壓保護(hù)電路，對(duì)裝置內(nèi)部rs485電路部分起到了雙重保護(hù)作用。一級(jí)保護(hù)為過流保護(hù)，電路中串入fs1、fs2自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，選取標(biāo)稱值為1a/60v，當(dāng)外部電流超過1a時(shí)候，保險(xiǎn)絲自動(dòng)熔斷，大電流不會(huì)進(jìn)入裝置內(nèi)部，起到了過流保護(hù)作用。二級(jí)為過壓保護(hù)，電路中并入兩個(gè)快速熔斷tvs管，即ts1和ts2,標(biāo)稱值均為smbj6.0ca，當(dāng)外部電壓超過6v時(shí)候，tvs管自動(dòng)熔斷，大電壓不會(huì)進(jìn)入裝置內(nèi)部，起到了過壓保護(hù)作用。

如圖8所示，usb上位機(jī)通訊模塊可以實(shí)現(xiàn)感知裝置與上位機(jī)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊。用戶可以通過上位機(jī)顯示界面實(shí)現(xiàn)歷史日志查詢、感知參數(shù)配置、報(bào)警數(shù)據(jù)顯示等功能，以及直觀的顯示被測(cè)設(shè)備的三維運(yùn)動(dòng)姿態(tài)圖像。

如圖9所示，為外部供電接口與rs485接口示意圖。外部供電接口及rs485接口集成于p2接口，分別與外部供電電源、外部rs485信號(hào)線相連。

如圖10所示，p3接口為usb（mini）接口，實(shí)現(xiàn)感知裝置與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互。傳統(tǒng)的三維姿態(tài)采集裝置并沒有與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互功能。本發(fā)明裝置的usb（mini）接口可以通過常用usb連接線與上位機(jī)相連，進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互功能以及三維姿態(tài)模擬仿真功能。數(shù)據(jù)交互功能體現(xiàn)在可以通過上位機(jī)軟件來配置感知裝置的通信參數(shù)設(shè)置和歷史日志查詢；三維姿態(tài)仿真功能體現(xiàn)在可以使用戶更直觀的了解到感知裝置的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息，更好的展示出感知裝置實(shí)時(shí)模擬仿真特性。所述miniusb接口的d-腳與d+腳分別與usb上位機(jī)通訊模塊相連。

可以理解的是，以上關(guān)于本發(fā)明的具體描述，僅用于說明本發(fā)明而并非受限于本發(fā)明實(shí)施例所描述的技術(shù)方案，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改或等同替換，以達(dá)到相同的技術(shù)效果；只要滿足使用需要，都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。