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(jī)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(jī)械件的運動軌跡是一個非常快速的過程，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(jìn)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(jī)拍攝物體的運動過程，并采用計算機(jī)軟件對運動物體分離全過程進(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)超越高速攝影機(jī)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(dá)國家也開發(fā)了使用多臺高速攝影機(jī)同時進(jìn)行運動分析的方法，但該方法不僅需要多達(dá)7臺高速攝影機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行處理。最后，對加速度值進(jìn)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。