惯性空间中物体振动位移的实时测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及惯性空间中物体振动位移测量的技术领域，尤其涉及一种惯性空间中 物体振动位移的实时测量方法。
【背景技术】
[0002] 目前，现有技术对于惯性空间中物体振动的位移测量方法主要有两种：1、基于初 始条件为零的加速度传感器做二次积分：S=at2/2(S:位移、a:加速度、t:时间），得出位 移；2、多传感器融合技术，例如多个传感器共同测量或者利用传感器的安装位置建立相应 关系进行测量。
[0003] 可是，本申请人发现第一种基于加速度传感器做二次积分得到位移的方法，存在 噪音引起的漂移，只能短时起作用，而不能长时间连续运行，滤波手段又会引入相位偏差等 问题；第二种多传感器融合技术的缺点是多传感器成本较高，而且仍不能有效去除漂移。
[0004] 因此，本申请人致力于开发一种新的惯性空间中物体振动位移的实时测量方法， 克服漂移缺陷，实现较高精度的实时测量物体振动位移。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的，就是提出一种新的惯性空间中物体振动位移的实时测量方法，实 现较高精度的实时测量物体振动位移。
[0006] 本发明为解决上述技术问题，提供了一种惯性空间中物体振动位移的实时测量方 法：在待测量的物体上设置一光滑杆和滑块，所述光滑杆固定在所述物体上，所述滑块滑动 套设在所述光滑杆上，通过对所述滑块施加一外力，使得所述滑块在沿所述光滑杆方向上 所受外力、自身重力和摩擦阻力处于力平衡状态，所述滑块保持绝对位置基本不变的悬浮 套设在所述光滑杆上；在所述物体发生振动的情况下，通过测量所述光滑杆和所述滑块的 相对位移，实现对惯性空间中物体振动位移的实时测量。
[0007] 本申请人弃用常规的基于加速度传感器做二次积分得到绝对位移的思路，在经过 反复试验和深入研发后，另辟蹊径，才开发出如上新的惯性空间中物体振动位移的实时测 量方法。
[0008] 本发明的惯性空间中物体振动位移的实时测量方法已经完全不同于现有技术中 的常规加速度测量或多传感器融合技术思路，而是巧妙的通过光滑杆和滑块的相对位移来 反映物体的振动位移，具有结构简单可靠，测量精度较高，以及能够快速直接的反映振动位 移数据的优点，更是具备了现有技术中难以企及的低频响应能力。
[0009] 较佳的，所述光滑杆与垂直方向的夹角为Θ，对所述滑块施加的所述外力为F，F =mgcosΘ0
[0010] 当Θ= 〇时，则所述光滑杆为垂直于水平面设置，所述滑块受到重力作用，将滑 落，若给滑块施加沿杆方向垂直向上的力，正好抵消重力，在滑块与光滑杆没有摩擦或摩擦 阻力较小可忽略不计的情况下，滑块将保持静止，悬浮套设于光滑杆上。实际应用过程中， 则可根据不同夹角Θ的大小、滑块的重力以及所受摩擦阻力，调整外力的大小，使得所述 滑块保持绝对位置基本不变的悬浮套设在所述光滑杆上。
[0011] 较佳的，所述光滑杆与垂直方向的夹角为Θ，所述物体具有垂直向上的加速度az， 对所述滑块施加的所述外力为F，F= (mg-mazsin2Θ)cosΘ。
[0012] 如上所述的光滑杆在倾斜一定角度Θ后，滑块还受到垂直向上的加速度az。将az 向沿光滑杆和垂直于光滑杆方向分解，因为沿光滑杆方向没有摩擦力，所以无法提供加速 度，所以滑块只能感受垂直于杆方向的加速度。根据受力分析，
[0014] 较佳的，设所述光滑杆绕xyz坐标轴旋转的欧拉角分别为α、β、γ，其旋转矩阵 R为：R=Rx ·Ry ·Rz，
[0018] 设沿xyz坐标轴方向的3个单位矢量X、Y、Z为：
[0019] X = [1 0 0]
[0020] Y = [0 1 0]
[0021] Z = [0 0 1]；
[0022] 设所述光滑杆在垂直状态下的单位矢量P。为：
[0024] 经旋转后得到：Pr=R·P。；
[0025] 设沿xyz坐标轴对所述物体施加的加速度分别为ax、ay、az，则总加速度a为：
[0027] 所述光滑杆旋转后与xyz坐标轴的夹角分别为：
[0028] Anglex= cos1(X· Pr)
[0029] Angley= cos1(Y· Pr)
[0030] Anglez= cos1(Z· Pr);
[0031] 此时，对所述滑块进行受力分析，为保持滑块垂直高度不变，计算得到滑块加速度 补偿为：
[0033] 其中，沿Z轴方向加速度为：
[0034] accz=acctotal[3] [l]/cosAnglez
[0035] 那么，运动过程中对所述滑块施加的力应为：
[0037] 另外，在静止时，对所述滑块还应施加的力应为：
[0038] Fi=mgcosacosβ
[0039] 最终，对滑块施加的所述外力为：F=
[0040] 该方法则进一步将受力分析拓展到三维空间，根据此方法，可保持滑块在垂直方 向对大地的位移为〇,此时计算滑块与杆的相对位移，就是滑块的振动位移。同理，可求其他 方向的振动位移。
[0041] 以上方法可以实现测量任一方向的振动位移。考虑滑块在光滑杆上运动的情况。 当光滑杆垂直放置时（Θ=0)，滑块受到重力作用，将滑落，若给滑块施加沿杆方向垂直向 上的力，正好抵消重力，滑块将保持静止。此时若光滑杆受到三维空间中任一方向的加速 度，滑块仍保持相对地面的高度不变。而滑块与光滑杆的相对位移就是测得的物体振动位 移。
[0042] 而实际中是有摩擦的，会导致模型计算稍有偏差。但是本申请人发现也同样因为 摩擦力的存在，可以克服传感器数据的零偏等漂移，保证算法不会发散。
[0043] 较佳的，在待测量的物体上设置一直线电机，所述直线电机的定子用作所述光滑 杆，所述直线电机的动子用作所述滑块。也可以是：所述直线电机的动子用作所述光滑杆， 所述直线电机的定子用作所述滑块。
[0044] 本发明巧妙的利用直线电机动子和定子的相对位移直接、快速、有效、高精度的反 映出物体振动位移，为本领域技术人员提供了一种惯性空间振动位移测量思路和解决方 案。
[0045] 较佳的，在待测量的物体上还设置有一用于检测所述光滑杆和所述滑块之间的相 对位移数据的位移传感器。
[0046] 较佳的，所述位移传感器为光栅尺。
[0047] 较佳的，上述的惯性空间中物体振动位移的实时测量方法作为测量车辆在路面行 驶过程中出现的振动位移的应用。
[0048] 综上所述，本发明惯性空间中物体振动位移的实时测量方法包括但不限于以下一 点或数点有益效果：
[0049] 1、本发明巧妙的通过光滑杆和滑块的相对位移来反映物体的振动位移，具有结构 简单可靠，测量精度较高，以及能够快速直接的反映振动位移数据的优点。
[0050] 2、本发明的惯性空间中物体振动位移的实时测量方法不存在信号噪音引入积分 漂移等缺陷，且具有较好的低频响应性能。
[0051 ] 3、本发明可以克服传感器数据的零偏等漂移，保证算法不会发散。
[0052] 4、本发明的惯性空间中物体振动位移的实时测量方法可应用各种振动测量场景， 尤其适用于应用在测量车辆行驶过程中上下颠簸的垂直方向位移上。
【附图说明】
[0053] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明：
[0054] 图1为具体实施例在垂直状态下的受力情况图。
[0055] 图2为具体实施例在倾斜状态下的受力情况图。
[0056] 图3为具体实施例的加速度分解示意图。
[0057] 图4为具体实施例的振动源与滑块的垂向加速度比较图。
[0058] 图5为具体实施例的振动源与滑块垂向加速度1/3倍频程分析图。
[0059] 图6为具体实施例的给定振动位移与实测振动位移比较图。
[0060] 图7为具体实施例的横滚角变化图。
[0061 ] 图8为具体实施例的俯仰角变化图。
【具体实施方式】
[0062] 本实施例公开了一种惯性空间中物体振动位移的实时测量方法：在待测量的物 体上设置一光滑杆和滑块，所述光滑杆固定在所述物体上，所述滑块滑动套设在所述光滑 杆上，通过对所述滑块施加一外力，使得所述滑块在沿所述光滑杆方向上所受外力、自身重 力和摩擦阻力处于力平衡状态，所述滑块保持绝对位置基本不变的悬浮套设在所述光滑杆 上；在所述物体发生振动的情况下，通过测量所述光滑杆和所述滑块的相对位移，实现对惯 性空间中物体振动位移的实时测量。
[0063] 具体的，本实施例的惯性空间中物体振动位移的实时测量方法作为测量车辆在路 面行驶过程中出现的振动位移的应用，所述待测量的物体即为在路面行驶的车辆，在车辆 上设置一直线电机和一光栅尺，所述直线电机的定子用作所述光滑杆，所述直线电机的动 子用作所述滑块，所述光栅尺用作检测所述光滑杆和所述滑块之间的相对位移数据的位移 传感器，定子跟随车辆进行振动位移，动子则保持绝对高度位移基本不变，车辆发生振动位 移时，定子和动子之间的相对位移发生相应变化，通过光栅尺实时获取该变化数据，继而实 现惯性空间中物体振动位移的实时测量。
[0064] 如图1所示，当车辆行驶于崎岖的水平道路上时，光滑杆（即直线电机的定子）垂 直于水平面的设置在车辆上，即所述光滑杆与垂直方向的夹角为Θ=〇。此时，对所述滑块 (即直线电机的动子）施加的所述外力（直线电机内部产生的磁场力）为F，F=mgcosΘ =mg〇<