基于慣性傳感器的自適應轉速測量系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于慣性傳感器的自適應轉速測量系統(tǒng)和基于慣性傳感器的自適應轉速測量方法，測量系統(tǒng)包括轉速檢測器和顯示終端，轉速檢測器內(nèi)設有加速度計、陀螺儀、第一微處理器、第一無線傳輸模塊和第一供電電池，顯示終端內(nèi)設有第二無線傳輸模塊、第二微處理器、顯示器和第二供電電池；第一無線傳輸模塊與第二無線傳輸模塊無線連接，加速度計的Z軸和陀螺儀的Z軸均與旋轉體的轉軸平行。本發(fā)明結合陀螺儀和加速度計的功能，在旋轉體低速轉動時，系統(tǒng)自適應地根據(jù)陀螺儀的輸出，計算旋轉體的旋轉半徑，同時輸出轉速，在旋轉體高速轉動時，系統(tǒng)自適應地根據(jù)加速度計輸出的向心加速度，并結合低速的計算結果計算處理輸出高速轉速。
【專利說明】基于慣性傳感器的自適應轉速測量系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及旋轉體的轉速測量【技術領域】，尤其涉及一種基于慣性傳感器的自適應轉速測量系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002]傳統(tǒng)的轉速測量方法分為兩大類，一類是基于霍爾效應的轉速測量，另一類是基于光電反射的轉速測量。
[0003]霍爾效應測量轉速需要在旋轉體上安裝磁鐵，并在磁鐵的旋轉軌跡上就近安裝霍爾感應器件，通過微處理器檢測霍爾感應器件輸出的開關信號來計算轉速。通過霍爾效應測量轉速的方法存在兩點不足，其一是安裝要求高，磁鐵旋轉軌跡上就近安裝霍爾器件，距離控制困難，其二是在旋轉體低速轉速下需要非常多的磁鐵點形成更多的開關信號，才能有效測量低轉速，但是，通過該方法進行低轉速測量時，需要預先有效的控制磁鐵數(shù)量和磁鐵霍爾器件的距離，一旦設計好，轉速測量裝置將不能變動，容易限制了轉速測量的靈活性。
[0004]光電反射測量轉速，是在旋轉體上貼上間斷反光條，外部通過光電檢測模塊檢測反光條的反光脈沖來測量轉速。通過光電反射測量轉速也存在以下兩點不足，其一是反光條貼裝比較麻煩，需要被測旋轉體有平行與轉動軸的圓面，其二是光電測試檢測端要與反光條平行穩(wěn)定放置，否則測量不穩(wěn)或者根本無法測量。
[0005]傳統(tǒng)的兩者轉速測量方法均難以靈活和精準的測量出旋轉體在低轉速運動時的轉速，同時在測量設備的安裝上復雜度高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有轉速測量方法存在測量設備結構復雜、不易安裝和低轉速不易測量的問題，提供了一種可以隨意安裝、結構簡單和具有低、高轉速自適應測量功能的基于慣性傳感器的自適應轉速測量系統(tǒng)和于慣性傳感器的自適應轉速測
量方法。
[0007]為解決上述問題，本發(fā)明的一種技術方案是:
[0008]一種基于慣性傳感器的自適應轉速測量系統(tǒng)，包括安裝在旋轉體上的轉速檢測器和與之進行無線通信的顯示終端，所述轉速檢測器內(nèi)設有用于輸出旋轉體三軸加速度的加速度計、用于輸出旋轉體三軸角速度的陀螺儀、用于控制及進行數(shù)據(jù)處理的第一微處理器、用于數(shù)據(jù)傳送的第一無線傳輸模塊和用于供電的第一供電電池，第一微處理器分別與加速度計、陀螺儀和第一無線傳輸模塊相連，所述顯示終端內(nèi)設有用于數(shù)據(jù)傳送的第二無線傳輸模塊、第二微處理器、顯示器和用于供電的第二供電電池，第二微處理器分別與顯示器和第二無線傳輸模塊相連；所述轉速檢測器中的第一無線傳輸模塊與顯示終端中的第二無線傳輸模塊無線連接，所述加速度計的Z軸和陀螺儀的Z軸均與旋轉體的轉軸平行。
[0009]優(yōu)選地，所述陀螺儀為三軸微機械陀螺儀，加速度計為三軸微機械加速度計。[0010]優(yōu)選地，所述第一無線傳輸模塊和第二無線傳輸模塊均為2.4G模塊。
[0011]優(yōu)選地，所述轉速檢測器內(nèi)還設有用于顯示轉速檢測器運行狀態(tài)的指示模塊，指不模塊分別與第一微處理器和第一供電電池相連。
[0012]相比較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的基于慣性傳感器的自適應轉速測量系統(tǒng)結合陀螺儀和加速度計的功能，在旋轉體低速轉動時，系統(tǒng)自適應地根據(jù)陀螺儀的輸出，計算旋轉體的旋轉半徑，同時輸出轉速，在旋轉體高速轉動時，系統(tǒng)自適應地根據(jù)加速度計輸出的向心加速度，并結合低速的計算結果計算處理輸出高速轉速；本發(fā)明中的轉速檢測器可以隨意安裝旋轉體上，安裝方便、無方向和角度要求，有效的解決了低轉速不易精確測量和轉速檢測器不易安裝的問題。
[0013]本發(fā)明的另一種技術方案是:
[0014]一種基于慣性傳感器的自適應轉速測量方法，所述轉速測量方法基于本發(fā)明所述的基于慣性傳感器的自適應轉速測量系統(tǒng)，所述轉速測量方法包括以下兩種情形:
[0015]第一種情形:旋轉體處于低速轉動時，由陀螺儀進行轉速測量，所述低速轉動為旋轉體的轉速在陀螺儀的測量范圍內(nèi)，陀螺儀輸出旋轉體的三軸角速度到第一微處理器中處理，得到旋轉體的轉速值，第一微處理器將轉速值通過第一無線傳輸模塊傳送到顯示終端中顯示，同時第一微處理器計算并保存旋轉體的旋轉半徑，所述旋轉半徑為轉速檢測器到旋轉體轉軸的距離；
[0016]第二種情形:旋轉體處于高速轉動時，由加速度計進行轉速測量，所述高速轉動是指旋轉體的轉速超出陀螺儀測量范圍，包括如下步驟:
[0017]a)加速度計輸出旋轉體的三軸加速度到第一微處理器中保存，
[0018]b)第一微處理器根據(jù)第一種情形計算得到的旋轉半徑，計算并保存重力加速度對旋轉體的影響值，
[0019]c)第一微處理器根據(jù)步驟a和步驟b的結果逆向推導出旋轉體的轉速值，并通過第一無線傳輸模塊傳送到顯示終端中顯示。
[0020]優(yōu)選地，所述第一種情形中計算得到的旋轉半徑為旋轉半徑關于加速度計上各軸轉動向心加速度的計算表達式，該計算表達式由以下公式計算得到:
【權利要求】
1.一種基于慣性傳感器的自適應轉速測量系統(tǒng)，包括安裝在旋轉體上的轉速檢測器和與之進行無線通信的顯示終端，其特征在于，所述轉速檢測器內(nèi)設有用于輸出旋轉體三軸加速度的加速度計、用于輸出旋轉體三軸角速度的陀螺儀、用于控制及進行數(shù)據(jù)處理的第一微處理器、用于數(shù)據(jù)傳送的第一無線傳輸模塊和用于供電的第一供電電池，第一微處理器分別與加速度計、陀螺儀和第一無線傳輸模塊相連，所述顯示終端內(nèi)設有用于數(shù)據(jù)傳送的第二無線傳輸模塊、第二微處理器、顯示器和用于供電的第二供電電池，第二微處理器分別與顯示器和第二無線傳輸模塊相連；所述轉速檢測器中的第一無線傳輸模塊與顯示終端中的第二無線傳輸模塊無線連接，所述加速度計的Z軸和陀螺儀的Z軸均與旋轉體的轉軸平行。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于慣性傳感器的自適應轉速測量系統(tǒng)，其特征在于，所述陀螺儀為三軸微機械陀螺儀，加速度計為三軸微機械加速度計。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于慣性傳感器的自適應轉速測量系統(tǒng)，其特征在于，所述第一無線傳輸模塊和第二無線傳輸模塊均為2.4G模塊。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于慣性傳感器的自適應轉速測量系統(tǒng)，其特征在于，所述轉速檢測器內(nèi)還設有用于顯示轉速檢測器運行狀態(tài)的指示模塊，指示模塊分別與第一微處理器和第一供電電池相連。
5.一種基于慣性傳感器的自適應轉速測量方法，其特征在于，所述轉速測量方法基于權利要求1所述的基于慣性傳感器的自適應轉速測量系統(tǒng)，所述轉速測量方法包括以下兩種情形: 第一種情形:旋轉體處于低速轉動時，由陀螺儀進行轉速測量，所述低速轉動為旋轉體的轉速在陀螺儀的測量范圍內(nèi)，陀螺儀輸出旋轉體的三軸角速度到第一微處理器中處理，得到旋轉體的轉速值，第一微處理器將轉速值通過第一無線傳輸模塊傳送到顯示終端中顯示，同時第一微處理器計算并保存旋轉體的旋轉半徑，所述旋轉半徑為轉速檢測器到旋轉體轉軸的距離； 第二種情形:旋轉體處于高速轉動時，由加速度計進行轉速測量，所述高速轉動是指旋轉體的轉速超出陀螺儀測量范圍，包括如下步驟: a)加速度計輸出旋轉體的三軸加速度到第一微處理器中保存， b)第一微處理器根據(jù)第一種情形計算得到的旋轉半徑，計算并保存重力加速度對旋轉體的影響值， c)第一微處理器根據(jù)步驟a和步驟b的結果逆向推導出旋轉體的轉速值，并通過第一無線傳輸模塊傳送到顯示終端中顯示。
6.根據(jù)權利要求5所述的基于慣性傳感器的自適應轉速測量方法，其特征在于，所述第一種情形中計算得到的旋轉半徑為旋轉半徑關于加速度計上各軸轉動向心加速度的計算表達式，該計算表達式由以下公式計算得到:
7.根據(jù)權利要求6所述的基于慣性傳感器的自適應轉速測量方法，其特征在于，所述第二種情形的 步驟a中加速度計輸出旋轉體的三軸加速度分別Ax、Ay和Az， 步驟b中重力加速度對旋轉體的影響值包括不隨旋轉體轉動變化的重力加速度分量gxs> gYS和gzs以及隨旋轉體轉動周期性變化的重力加速度分量gm、g?和gZD，在旋轉體勻速轉動時，以下公式(7) (8) (9)成立:

【文檔編號】G08C17/02GK103743921SQ201310755470
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權日:2013年12月31日
【發(fā)明者】鄧登峰, 汪建平 申請人:杭州士蘭微電子股份有限公司