慣性空間中物體振動(dòng)位移的實(shí)時(shí)測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及慣性空間中物體振動(dòng)位移測量的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種慣性空間中 物體振動(dòng)位移的實(shí)時(shí)測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，現(xiàn)有技術(shù)對于慣性空間中物體振動(dòng)的位移測量方法主要有兩種：1、基于初 始條件為零的加速度傳感器做二次積分：S=at2/2(S:位移、a:加速度、t:時(shí)間），得出位 移；2、多傳感器融合技術(shù)，例如多個(gè)傳感器共同測量或者利用傳感器的安裝位置建立相應(yīng) 關(guān)系進(jìn)行測量。
[0003] 可是，本申請人發(fā)現(xiàn)第一種基于加速度傳感器做二次積分得到位移的方法，存在 噪音引起的漂移，只能短時(shí)起作用，而不能長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，濾波手段又會(huì)引入相位偏差等 問題；第二種多傳感器融合技術(shù)的缺點(diǎn)是多傳感器成本較高，而且仍不能有效去除漂移。
[0004] 因此，本申請人致力于開發(fā)一種新的慣性空間中物體振動(dòng)位移的實(shí)時(shí)測量方法， 克服漂移缺陷，實(shí)現(xiàn)較高精度的實(shí)時(shí)測量物體振動(dòng)位移。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的，就是提出一種新的慣性空間中物體振動(dòng)位移的實(shí)時(shí)測量方法，實(shí) 現(xiàn)較高精度的實(shí)時(shí)測量物體振動(dòng)位移。
[0006] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，提供了一種慣性空間中物體振動(dòng)位移的實(shí)時(shí)測量方 法：在待測量的物體上設(shè)置一光滑桿和滑塊，所述光滑桿固定在所述物體上，所述滑塊滑動(dòng) 套設(shè)在所述光滑桿上，通過對所述滑塊施加一外力，使得所述滑塊在沿所述光滑桿方向上 所受外力、自身重力和摩擦阻力處于力平衡狀態(tài)，所述滑塊保持絕對位置基本不變的懸浮 套設(shè)在所述光滑桿上；在所述物體發(fā)生振動(dòng)的情況下，通過測量所述光滑桿和所述滑塊的 相對位移，實(shí)現(xiàn)對慣性空間中物體振動(dòng)位移的實(shí)時(shí)測量。
[0007] 本申請人棄用常規(guī)的基于加速度傳感器做二次積分得到絕對位移的思路，在經(jīng)過 反復(fù)試驗(yàn)和深入研發(fā)后，另辟蹊徑，才開發(fā)出如上新的慣性空間中物體振動(dòng)位移的實(shí)時(shí)測 量方法。
[0008] 本發(fā)明的慣性空間中物體振動(dòng)位移的實(shí)時(shí)測量方法已經(jīng)完全不同于現(xiàn)有技術(shù)中 的常規(guī)加速度測量或多傳感器融合技術(shù)思路，而是巧妙的通過光滑桿和滑塊的相對位移來 反映物體的振動(dòng)位移，具有結(jié)構(gòu)簡單可靠，測量精度較高，以及能夠快速直接的反映振動(dòng)位 移數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，更是具備了現(xiàn)有技術(shù)中難以企及的低頻響應(yīng)能力。
[0009] 較佳的，所述光滑桿與垂直方向的夾角為Θ，對所述滑塊施加的所述外力為F，F(xiàn) =mgcosΘ0
[0010] 當(dāng)Θ= 〇時(shí)，則所述光滑桿為垂直于水平面設(shè)置，所述滑塊受到重力作用，將滑 落，若給滑塊施加沿桿方向垂直向上的力，正好抵消重力，在滑塊與光滑桿沒有摩擦或摩擦 阻力較小可忽略不計(jì)的情況下，滑塊將保持靜止，懸浮套設(shè)于光滑桿上。實(shí)際應(yīng)用過程中， 則可根據(jù)不同夾角Θ的大小、滑塊的重力以及所受摩擦阻力，調(diào)整外力的大小，使得所述 滑塊保持絕對位置基本不變的懸浮套設(shè)在所述光滑桿上。
[0011] 較佳的，所述光滑桿與垂直方向的夾角為Θ，所述物體具有垂直向上的加速度az， 對所述滑塊施加的所述外力為F，F(xiàn)= (mg-mazsin2Θ)cosΘ。
[0012] 如上所述的光滑桿在傾斜一定角度Θ后，滑塊還受到垂直向上的加速度az。將az 向沿光滑桿和垂直于光滑桿方向分解，因?yàn)檠毓饣瑮U方向沒有摩擦力，所以無法提供加速 度，所以滑塊只能感受垂直于桿方向的加速度。根據(jù)受力分析，
[0014] 較佳的，設(shè)所述光滑桿繞xyz坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的歐拉角分別為α、β、γ，其旋轉(zhuǎn)矩陣 R為：R=Rx ·Ry ·Rz，
[0018] 設(shè)沿xyz坐標(biāo)軸方向的3個(gè)單位矢量X、Y、Z為：
[0019] X = [1 0 0]
[0020] Y = [0 1 0]
[0021] Z = [0 0 1]；
[0022] 設(shè)所述光滑桿在垂直狀態(tài)下的單位矢量P。為：
[0024] 經(jīng)旋轉(zhuǎn)后得到：Pr=R·P。；
[0025] 設(shè)沿xyz坐標(biāo)軸對所述物體施加的加速度分別為ax、ay、az，則總加速度a為：
[0027] 所述光滑桿旋轉(zhuǎn)后與xyz坐標(biāo)軸的夾角分別為：
[0028] Anglex= cos1(X· Pr)
[0029] Angley= cos1(Y· Pr)
[0030] Anglez= cos1(Z· Pr);
[0031] 此時(shí)，對所述滑塊進(jìn)行受力分析，為保持滑塊垂直高度不變，計(jì)算得到滑塊加速度 補(bǔ)償為：
[0033] 其中，沿Z軸方向加速度為：
[0034] accz=acctotal[3] [l]/cosAnglez
[0035] 那么，運(yùn)動(dòng)過程中對所述滑塊施加的力應(yīng)為：
[0037] 另外，在靜止時(shí)，對所述滑塊還應(yīng)施加的力應(yīng)為：
[0038] Fi=mgcosacosβ
[0039] 最終，對滑塊施加的所述外力為：F=
[0040] 該方法則進(jìn)一步將受力分析拓展到三維空間，根據(jù)此方法，可保持滑塊在垂直方 向?qū)Υ蟮氐奈灰茷椹?此時(shí)計(jì)算滑塊與桿的相對位移，就是滑塊的振動(dòng)位移。同理，可求其他 方向的振動(dòng)位移。
[0041] 以上方法可以實(shí)現(xiàn)測量任一方向的振動(dòng)位移?？紤]滑塊在光滑桿上運(yùn)動(dòng)的情況。 當(dāng)光滑桿垂直放置時(shí)（Θ=0)，滑塊受到重力作用，將滑落，若給滑塊施加沿桿方向垂直向 上的力，正好抵消重力，滑塊將保持靜止。此時(shí)若光滑桿受到三維空間中任一方向的加速 度，滑塊仍保持相對地面的高度不變。而滑塊與光滑桿的相對位移就是測得的物體振動(dòng)位 移。
[0042] 而實(shí)際中是有摩擦的，會(huì)導(dǎo)致模型計(jì)算稍有偏差。但是本申請人發(fā)現(xiàn)也同樣因?yàn)?摩擦力的存在，可以克服傳感器數(shù)據(jù)的零偏等漂移，保證算法不會(huì)發(fā)散。
[0043] 較佳的，在待測量的物體上設(shè)置一直線電機(jī)，所述直線電機(jī)的定子用作所述光滑 桿，所述直線電機(jī)的動(dòng)子用作所述滑塊。也可以是：所述直線電機(jī)的動(dòng)子用作所述光滑桿， 所述直線電機(jī)的定子用作所述滑塊。
[0044] 本發(fā)明巧妙的利用直線電機(jī)動(dòng)子和定子的相對位移直接、快速、有效、高精度的反 映出物體振動(dòng)位移，為本領(lǐng)域技術(shù)人員提供了一種慣性空間振動(dòng)位移測量思路和解決方 案。
[0045] 較佳的，在待測量的物體上還設(shè)置有一用于檢測所述光滑桿和所述滑塊之間的相 對位移數(shù)據(jù)的位移傳感器。
[0046] 較佳的，所述位移傳感器為光柵尺。
[0047] 較佳的，上述的慣性空間中物體振動(dòng)位移的實(shí)時(shí)測量方法作為測量車輛在路面行 駛過程中出現(xiàn)的振動(dòng)位移的應(yīng)用。
[0048] 綜上所述，本發(fā)明慣性空間中物體振動(dòng)位移的實(shí)時(shí)測量方法包括但不限于以下一 點(diǎn)或數(shù)點(diǎn)有益效果：
[0049] 1、本發(fā)明巧妙的通過光滑桿和滑塊的相對位移來反映物體的振動(dòng)位移，具有結(jié)構(gòu) 簡單可靠，測量精度較高，以及能夠快速直接的反映振動(dòng)位移數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)。
[0050] 2、本發(fā)明的慣性空間中物體振動(dòng)位移的實(shí)時(shí)測量方法不存在信號(hào)噪音引入積分 漂移等缺陷，且具有較好的低頻響應(yīng)性能。
[0051 ] 3、本發(fā)明可以克服傳感器數(shù)據(jù)的零偏等漂移，保證算法不會(huì)發(fā)散。
[0052] 4、本發(fā)明的慣性空間中物體振動(dòng)位移的實(shí)時(shí)測量方法可應(yīng)用各種振動(dòng)測量場景， 尤其適用于應(yīng)用在測量車輛行駛過程中上下顛簸的垂直方向位移上。
【附圖說明】
[0053] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明：
[0054] 圖1為具體實(shí)施例在垂直狀態(tài)下的受力情況圖。
[0055] 圖2為具體實(shí)施例在傾斜狀態(tài)下的受力情況圖。
[0056] 圖3為具體實(shí)施例的加速度分解示意圖。
[0057] 圖4為具體實(shí)施例的振動(dòng)源與滑塊的垂向加速度比較圖。
[0058] 圖5為具體實(shí)施例的振動(dòng)源與滑塊垂向加速度1/3倍頻程分析圖。
[0059] 圖6為具體實(shí)施例的給定振動(dòng)位移與實(shí)測振動(dòng)位移比較圖。
[0060] 圖7為具體實(shí)施例的橫滾角變化圖。
[0061 ] 圖8為具體實(shí)施例的俯仰角變化圖。
【具體實(shí)施方式】
[0062] 本實(shí)施例公開了一種慣性空間中物體振動(dòng)位移的實(shí)時(shí)測量方法：在待測量的物 體上設(shè)置一光滑桿和滑塊，所述光滑桿固定在所述物體上，所述滑塊滑動(dòng)套設(shè)在所述光滑 桿上，通過對所述滑塊施加一外力，使得所述滑塊在沿所述光滑桿方向上所受外力、自身重 力和摩擦阻力處于力平衡狀態(tài)，所述滑塊保持絕對位置基本不變的懸浮套設(shè)在所述光滑桿 上；在所述物體發(fā)生振動(dòng)的情況下，通過測量所述光滑桿和所述滑塊的相對位移，實(shí)現(xiàn)對慣 性空間中物體振動(dòng)位移的實(shí)時(shí)測量。
[0063] 具體的，本實(shí)施例的慣性空間中物體振動(dòng)位移的實(shí)時(shí)測量方法作為測量車輛在路 面行駛過程中出現(xiàn)的振動(dòng)位移的應(yīng)用，所述待測量的物體即為在路面行駛的車輛，在車輛 上設(shè)置一直線電機(jī)和一光柵尺，所述直線電機(jī)的定子用作所述光滑桿，所述直線電機(jī)的動(dòng) 子用作所述滑塊，所述光柵尺用作檢測所述光滑桿和所述滑塊之間的相對位移數(shù)據(jù)的位移 傳感器，定子跟隨車輛進(jìn)行振動(dòng)位移，動(dòng)子則保持絕對高度位移基本不變，車輛發(fā)生振動(dòng)位 移時(shí)，定子和動(dòng)子之間的相對位移發(fā)生相應(yīng)變化，通過光柵尺實(shí)時(shí)獲取該變化數(shù)據(jù)，繼而實(shí) 現(xiàn)慣性空間中物體振動(dòng)位移的實(shí)時(shí)測量。
[0064] 如圖1所示，當(dāng)車輛行駛于崎嶇的水平道路上時(shí)，光滑桿（即直線電機(jī)的定子）垂 直于水平面的設(shè)置在車輛上，即所述光滑桿與垂直方向的夾角為Θ=〇。此時(shí)，對所述滑塊 (即直線電機(jī)的動(dòng)子）施加的所述外力（直線電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的磁場力）為F，F(xiàn)=mgcosΘ =mg〇<