基于惯性传感器的自适应转速测量系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于惯性传感器的自适应转速测量系统和基于惯性传感器的自适应转速测量方法，测量系统包括转速检测器和显示终端，转速检测器内设有加速度计、陀螺仪、第一微处理器、第一无线传输模块和第一供电电池，显示终端内设有第二无线传输模块、第二微处理器、显示器和第二供电电池；第一无线传输模块与第二无线传输模块无线连接，加速度计的Z轴和陀螺仪的Z轴均与旋转体的转轴平行。本发明结合陀螺仪和加速度计的功能，在旋转体低速转动时，系统自适应地根据陀螺仪的输出，计算旋转体的旋转半径，同时输出转速，在旋转体高速转动时，系统自适应地根据加速度计输出的向心加速度，并结合低速的计算结果计算处理输出高速转速。
【专利说明】基于惯性传感器的自适应转速测量系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及旋转体的转速测量【技术领域】，尤其涉及一种基于惯性传感器的自适应转速测量系统及方法。
【背景技术】
[0002]传统的转速测量方法分为两大类，一类是基于霍尔效应的转速测量，另一类是基于光电反射的转速测量。
[0003]霍尔效应测量转速需要在旋转体上安装磁铁，并在磁铁的旋转轨迹上就近安装霍尔感应器件，通过微处理器检测霍尔感应器件输出的开关信号来计算转速。通过霍尔效应测量转速的方法存在两点不足，其一是安装要求高，磁铁旋转轨迹上就近安装霍尔器件，距离控制困难，其二是在旋转体低速转速下需要非常多的磁铁点形成更多的开关信号，才能有效测量低转速，但是，通过该方法进行低转速测量时，需要预先有效的控制磁铁数量和磁铁霍尔器件的距离，一旦设计好，转速测量装置将不能变动，容易限制了转速测量的灵活性。
[0004]光电反射测量转速，是在旋转体上贴上间断反光条，外部通过光电检测模块检测反光条的反光脉冲来测量转速。通过光电反射测量转速也存在以下两点不足，其一是反光条贴装比较麻烦，需要被测旋转体有平行与转动轴的圆面，其二是光电测试检测端要与反光条平行稳定放置，否则测量不稳或者根本无法测量。
[0005]传统的两者转速测量方法均难以灵活和精准的测量出旋转体在低转速运动时的转速，同时在测量设备的安装上复杂度高。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是针对现有转速测量方法存在测量设备结构复杂、不易安装和低转速不易测量的问题，提供了一种可以随意安装、结构简单和具有低、高转速自适应测量功能的基于惯性传感器的自适应转速测量系统和于惯性传感器的自适应转速测
量方法。
[0007]为解决上述问题，本发明的一种技术方案是:
[0008]一种基于惯性传感器的自适应转速测量系统，包括安装在旋转体上的转速检测器和与之进行无线通信的显示终端，所述转速检测器内设有用于输出旋转体三轴加速度的加速度计、用于输出旋转体三轴角速度的陀螺仪、用于控制及进行数据处理的第一微处理器、用于数据传送的第一无线传输模块和用于供电的第一供电电池，第一微处理器分别与加速度计、陀螺仪和第一无线传输模块相连，所述显示终端内设有用于数据传送的第二无线传输模块、第二微处理器、显示器和用于供电的第二供电电池，第二微处理器分别与显示器和第二无线传输模块相连；所述转速检测器中的第一无线传输模块与显示终端中的第二无线传输模块无线连接，所述加速度计的Z轴和陀螺仪的Z轴均与旋转体的转轴平行。
[0009]优选地，所述陀螺仪为三轴微机械陀螺仪，加速度计为三轴微机械加速度计。[0010]优选地，所述第一无线传输模块和第二无线传输模块均为2.4G模块。
[0011]优选地，所述转速检测器内还设有用于显示转速检测器运行状态的指示模块，指不模块分别与第一微处理器和第一供电电池相连。
[0012]相比较于现有技术，本发明的基于惯性传感器的自适应转速测量系统结合陀螺仪和加速度计的功能，在旋转体低速转动时，系统自适应地根据陀螺仪的输出，计算旋转体的旋转半径，同时输出转速，在旋转体高速转动时，系统自适应地根据加速度计输出的向心加速度，并结合低速的计算结果计算处理输出高速转速；本发明中的转速检测器可以随意安装旋转体上，安装方便、无方向和角度要求，有效的解决了低转速不易精确测量和转速检测器不易安装的问题。
[0013]本发明的另一种技术方案是:
[0014]一种基于惯性传感器的自适应转速测量方法，所述转速测量方法基于本发明所述的基于惯性传感器的自适应转速测量系统，所述转速测量方法包括以下两种情形:
[0015]第一种情形:旋转体处于低速转动时，由陀螺仪进行转速测量，所述低速转动为旋转体的转速在陀螺仪的测量范围内，陀螺仪输出旋转体的三轴角速度到第一微处理器中处理，得到旋转体的转速值，第一微处理器将转速值通过第一无线传输模块传送到显示终端中显示，同时第一微处理器计算并保存旋转体的旋转半径，所述旋转半径为转速检测器到旋转体转轴的距离；
[0016]第二种情形:旋转体处于高速转动时，由加速度计进行转速测量，所述高速转动是指旋转体的转速超出陀螺仪测量范围，包括如下步骤:
[0017]a)加速度计输出旋转体的三轴加速度到第一微处理器中保存，
[0018]b)第一微处理器根据第一种情形计算得到的旋转半径，计算并保存重力加速度对旋转体的影响值，
[0019]c)第一微处理器根据步骤a和步骤b的结果逆向推导出旋转体的转速值，并通过第一无线传输模块传送到显示终端中显示。
[0020]优选地，所述第一种情形中计算得到的旋转半径为旋转半径关于加速度计上各轴转动向心加速度的计算表达式，该计算表达式由以下公式计算得到:
【权利要求】
1.一种基于惯性传感器的自适应转速测量系统，包括安装在旋转体上的转速检测器和与之进行无线通信的显示终端，其特征在于，所述转速检测器内设有用于输出旋转体三轴加速度的加速度计、用于输出旋转体三轴角速度的陀螺仪、用于控制及进行数据处理的第一微处理器、用于数据传送的第一无线传输模块和用于供电的第一供电电池，第一微处理器分别与加速度计、陀螺仪和第一无线传输模块相连，所述显示终端内设有用于数据传送的第二无线传输模块、第二微处理器、显示器和用于供电的第二供电电池，第二微处理器分别与显示器和第二无线传输模块相连；所述转速检测器中的第一无线传输模块与显示终端中的第二无线传输模块无线连接，所述加速度计的Z轴和陀螺仪的Z轴均与旋转体的转轴平行。
2.根据权利要求1所述的基于惯性传感器的自适应转速测量系统，其特征在于，所述陀螺仪为三轴微机械陀螺仪，加速度计为三轴微机械加速度计。
3.根据权利要求1所述的基于惯性传感器的自适应转速测量系统，其特征在于，所述第一无线传输模块和第二无线传输模块均为2.4G模块。
4.根据权利要求1所述的基于惯性传感器的自适应转速测量系统，其特征在于，所述转速检测器内还设有用于显示转速检测器运行状态的指示模块，指示模块分别与第一微处理器和第一供电电池相连。
5.一种基于惯性传感器的自适应转速测量方法，其特征在于，所述转速测量方法基于权利要求1所述的基于惯性传感器的自适应转速测量系统，所述转速测量方法包括以下两种情形: 第一种情形:旋转体处于低速转动时，由陀螺仪进行转速测量，所述低速转动为旋转体的转速在陀螺仪的测量范围内，陀螺仪输出旋转体的三轴角速度到第一微处理器中处理，得到旋转体的转速值，第一微处理器将转速值通过第一无线传输模块传送到显示终端中显示，同时第一微处理器计算并保存旋转体的旋转半径，所述旋转半径为转速检测器到旋转体转轴的距离； 第二种情形:旋转体处于高速转动时，由加速度计进行转速测量，所述高速转动是指旋转体的转速超出陀螺仪测量范围，包括如下步骤: a)加速度计输出旋转体的三轴加速度到第一微处理器中保存， b)第一微处理器根据第一种情形计算得到的旋转半径，计算并保存重力加速度对旋转体的影响值， c)第一微处理器根据步骤a和步骤b的结果逆向推导出旋转体的转速值，并通过第一无线传输模块传送到显示终端中显示。
6.根据权利要求5所述的基于惯性传感器的自适应转速测量方法，其特征在于，所述第一种情形中计算得到的旋转半径为旋转半径关于加速度计上各轴转动向心加速度的计算表达式，该计算表达式由以下公式计算得到:
7.根据权利要求6所述的基于惯性传感器的自适应转速测量方法，其特征在于，所述第二种情形的 步骤a中加速度计输出旋转体的三轴加速度分别Ax、Ay和Az， 步骤b中重力加速度对旋转体的影响值包括不随旋转体转动变化的重力加速度分量gxs> gYS和gzs以及随旋转体转动周期性变化的重力加速度分量gm、g?和gZD，在旋转体匀速转动时，以下公式(7) (8) (9)成立:
【文档编号】G08C17/02GK103743921SQ201310755470
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】邓登峰, 汪建平 申请人:杭州士兰微电子股份有限公司