加速度計在運動物體分離參數(shù)測量系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉越　周志衛(wèi)　劉芳　張建

摘 要：運動物體的空間定位、分離變化參數(shù)以及運動軌跡已經(jīng)越來越受到人們的重視。針對運動物體分離參數(shù)的測量問題，分析了光學(xué)測量方法存在的不足和局限性，提出了基于超低頻加速度計的測量方法，該方法能夠滿足二維測量轉(zhuǎn)變?yōu)槿S測量、可視測量轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢梢暅y量，且動態(tài)范圍大、可靠度高和使用方便，同時給出了完整的測量方案。

關(guān)鍵詞：運動物體；分離參數(shù)；加速度計

隨著計算機科學(xué)的不斷發(fā)展，人們越來越重視物體的空間定位以及運動過程中的變化和軌跡，而如何精確地測量出運動物體的變化分離參數(shù)已經(jīng)成為一個重要的研究課題。在工業(yè)現(xiàn)場，大型機械件的運動軌跡是一個非?？焖俚倪^程，同時呈現(xiàn)復(fù)雜的三維六自由度運動模式。我們通過研究和驗證，提出了采用加速度傳感器進行分離參數(shù)測量的思路，并通過試驗驗證了這一方法的有效性。

1 分離參數(shù)光學(xué)測量方法的局限性

光學(xué)測量方法是一種基于高速攝影和運動分析技術(shù)的測量方法，它利用高速攝影機拍攝物體的運動過程，并采用計算機軟件對運動物體分離全過程進行運動學(xué)分析，并通過運動學(xué)參數(shù)計算得出物體上各測量點的分離參數(shù)。光學(xué)測量方法雖然具有非接觸、抗干擾、測量結(jié)果直觀可見等顯著優(yōu)點，但要求用于測量的目標(biāo)點在整個分離過程中，必須處于高速攝影的可視范圍內(nèi)。

1）但是，運動物體分離過程是一個非常復(fù)雜的多體動力學(xué)過程。運動物體呈現(xiàn)復(fù)雜的三維六自由度運動模式，使得目標(biāo)點可能被物體自身遮擋，且物體分離運動軌跡線遠遠超越高速攝影機的有效可視范圍。因此，在多數(shù)情況下，光學(xué)測量方法并不適用于復(fù)雜的運動物體分離參數(shù)測量。

2）對于三維六自由度運動參數(shù)的測量，美國等發(fā)達國家也開發(fā)了使用多臺高速攝影機同時進行運動分析的方法，但該方法不僅需要多達7臺高速攝影機在不同的角度同時拍攝，還需要復(fù)雜的標(biāo)定過程，以及昂貴的專用分析軟件，由于缺乏相應(yīng)的硬件和軟件資源，目前采用這種方法在并不可行。

2 采用加速度計進行分離參數(shù)測量的技術(shù)途徑

根據(jù)以往的經(jīng)驗，我們想到使用加速度計測量的方法。加速度計因其頻響寬、動態(tài)范圍大、可靠度高和使用方便，受到廣泛的應(yīng)用。因此，使用加速度計測量運動物體的分離加速度，既克服了運動物體質(zhì)心難以跟蹤的困難，又解決了目標(biāo)點不可視的問題。

加速度計在使用過程中主要關(guān)心的技術(shù)指標(biāo)為：測量對象、測量環(huán)境、靈敏度、頻率范圍和精確度等。由于運動物體分離過程中，物體的加速度信號變化頻率較小，因此選擇變電容式超低頻加速度計。變電容加速度計具有高靈敏度、DC響應(yīng)、窄頻帶以及出色的溫度穩(wěn)定性，所以非常適合于低頻振動、運動以及穩(wěn)態(tài)加速度測量。

在采用超低頻加速度計進行分離參數(shù)測量時，需要將加速度計安裝在運動物體，同時連接信號適調(diào)器（信號調(diào)理放大器）和數(shù)據(jù)采集儀等其它測量設(shè)備。通過對測得的加速度進行積分可以方便地得到運動物體每個測量點處的分離速度、分離位移等分離參數(shù)，通過對多個測量點的測量結(jié)果進行分析，可得到物體的分離姿態(tài)和分離軌跡等多項分離參數(shù)。

2.1 加速度計測量的方法和步驟

第一步，安裝加速度計。由于運動物體外形的差異性，為保證加速度計與物體表面的穩(wěn)固連接，故需要使用安裝座安裝，且將安裝座側(cè)面打磨至與物體表面弧度相匹配。為保證安裝座本質(zhì)上和安裝表面融合在一起，且能夠提供較好的傳遞性，我們將超低頻加速度計通過螺柱安裝在鋁制安裝座上。另外，為避免在物體表面打孔，我們采用通常被選用的粘接劑安裝方法將安裝座與物體粘接起來。

第二步，加速度測試系統(tǒng)。為選擇合適的濾波值，以消除物體在分離過程中自身產(chǎn)生的振蕩對加速度測量結(jié)果的影響。我們將加速度計的輸出信號經(jīng)信號適調(diào)器和電荷放大器送出，輸出信號傳送到數(shù)據(jù)采集儀，其中數(shù)據(jù)采集儀采用50Hz濾波，采樣頻率為2kHz。

第三步，積分運算。對經(jīng)過超低頻加速度計采集和數(shù)據(jù)采集儀濾波的加速度數(shù)據(jù)進行積分運算處理，即可得到運動物體質(zhì)心處的速度。將三個三軸向超低頻加速度計分別安裝在運動物體質(zhì)心處，即可連續(xù)地測出每個測量點的加速度，然后經(jīng)過上述積分運算得到速度分量，再次積分運算得到每個測量點的空間位置，通過對多個測量點的測量結(jié)果進行分析，即可得到運動物體的分離姿態(tài)和分離軌跡。

2.2 加速度計測量結(jié)果的數(shù)學(xué)運算

首先，為消除加速度計的零點偏置，對加速度值進行差值處理；其次，從測量結(jié)果得知，當(dāng)數(shù)據(jù)采集儀采用50Hz濾波，并不能完全消除物體在分離過程中自身產(chǎn)生的振蕩對加速度測量結(jié)果的影響，故采用移動均值濾波方法對加速度值進行處理。最后，對加速度值進行積分運算，得到運動物體質(zhì)心處的速度。

3 結(jié)論

通過對運動物體分離參數(shù)測量方法的研究和應(yīng)用，我們可以得出以下結(jié)論：

1）經(jīng)理論分析和實際驗證，加速度計完全可以解決運動物體分離參數(shù)的測量問題，且具有較高的測量精度；

2）這種方法通過測量運動物體上典型位置的加速度，在經(jīng)過積分運算得到速度、位移和姿態(tài)，可實現(xiàn)在一次測量完成多種分離參數(shù)的測量與分析；

3）使用本文方法，應(yīng)用多個三軸向超低頻加速度計，可實現(xiàn)運動物體三維六自由度的分離參數(shù)的測試與分析。

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作者簡介：劉越（1988-），女，河南周口人，碩士，主要從事試驗與測試方向的研究。