专利名称：可变电容式车辆姿态检测仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种载运工具姿态检测装置，尤其是汽车运行姿态检测装置。
背景技术：
汽车在运行的过程中，可能发生车祸导致车辆发生翻转，通常需要对车辆的姿态进行分析，特别是针对危险品运输车辆发生事故的情况。目前，对载运工具姿态检测一般采用陀螺仪对车辆前倾和横滚进行测量，得到车辆的前倾角和横滚角。虽然方法很好，但是测量车辆前倾和横滚用不了那么大的精度，不够经济实惠。 目前专利采用计数方式来测量旋转角，但是由于汽车颠簸的时候，仪器是不断摆动的，给计数带来困难，在旋转连续计数和小角度Z摇摆时计数可能相同，从而导致误差，需要设计复杂的编码才能避免这种错误。另有专利通过电磁力与游丝力矩平衡方式来测量电流方式来测量偏角，这种方式对全360度旋转方式不合适，并且对震动环境下，测量结果不可靠。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种低成本的可变电容式车辆姿态检测仪，它能够测量载运工具姿态。 本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为可变电容式车辆姿态检测仪，它包括偏心轮式可变电容、相位判断模块、电容测量装置、数据处理模块和触发模块；相位判断模块判断偏心轮式可变电容的相位并输出相位数据给数据处理模块；电容测量装置测量偏心轮式可变电容的电容数据，并输出电容数据给数据处理模块；数据处理模块包括模数转换模块和单片机，单片机接收相位数据和经模数转换模块模数转换后的电容数据，单片机计算偏心轮重叠角度a和车辆姿态角9并输出；触发模块与单片机相联接，触发模块通过单片机的指令触发电容测量装置； 偏心轮式可变电容，它包括支撑架8、基座12、旋转轴9、偏心轮2、固定叶片3和活动叶片1 ;旋转轴9由两个支撑架8支撑，偏心轮2和半圆形的活动叶片1固定在旋转轴9上，半圆形的固定叶片3固定在基座12上，固定叶片3与活动叶片1相邻且相互重叠，并且固定叶片3与活动叶片1之间利用空气作为绝缘介质形成可变电容；支撑架8、基座12和旋转轴9的材质为导电材料，基座12上设有第一接线柱并由第一导线13与电容测量装置联接，其中一个支撑架8上设有第二接线柱并由第二导线14与电容测量装置联接。
相位判断模块包括换向器11、电刷5、接线柱7，换向器11安装在旋转轴9上，换向器11与旋转轴9之间设有绝缘环IO，换向器11由导电半圆环和绝缘半圆环组成；电刷5位于导电半圆环和绝缘半圆环结合处，电刷5与换向器的导电半圆环相接触时构成一个相位输出极，电刷5与换向器的绝缘半圆环相接触时构成另一个相位输出极，电刷5与第三接线柱7上的接线端子6相联接输出相位P，接线端子6通过第三导线15与单片机相联接；换向器11的导电半圆环与旋转轴9通过第四导线4相连构成换向器11的一个相，该相为
3导电相，当电刷5与导电半圆环接触时，输出高电位，表示一个180°区间，表示偏心轮的重心偏向右边，相应的汽车偏向左边；当电刷5与绝缘半圆环接触时，输出低电位，表示另一个180°区间，表示偏心轮的重心偏向左边，相应的汽车偏向右边。
所述的触发模块为继电器(KM)。 所述的电容测量装置为充/放电电容测量电路、AC电桥电容测量电路、交流锁相放大电容测量电路、基于V/T变换的电容测量电路、基于混沌理论的恒流式混沌测量电路或基于电荷放大原理的电容测量电路中的任意一种。 本发明的工作过程中利用的部分原理是为了得到车辆的姿态数据，本发明采用偏心轮进行测量，利用偏心轮在重力的作用下，无论什么时候，偏心轮的重心指向地心的原理。不管车辆出于何种状态，偏心轮的重心不会改变，始终指向地心，可变电容的活动叶片在偏心轮的作用下，与可变电容的固定叶片进行相对旋转，从而改变电容的大小，而车辆姿态角与偏心轮重叠角度、可变电容的电容数据之间存在一定的对应关系，通过测量可变电容的电容数据可以得到车辆的姿态角。 与现有技术相比，本发明的有益效果为1、能够准确测量载运工具姿态；2、成本低，易操作；3、磨损小，使用寿命长。
图l为本发明的原理框图； 图2为本发明实施例1的偏心轮式可变电容的结构图； 图3为本发明实施例1的电路原理图； 图4为本发明实施例1的可变电容相位输出与重叠角度的函数关系图； 图5为本发明实施例1的工作流程图； 图6为本发明实施例2的偏心轮式可变电容结构图； 图7为本发明实施例3的偏心轮式可变电容结构图； 图8为图7的分解图； 图9为本发明实施例3的电路原理图； 图10为本发明实施例3的工作流程图； 图11为本发明实施例3的可变动容相位输出与重叠角度的函数关系图。
具体实施方式
实施例1 : 如图1所示，可变电容式车辆姿态检测仪，它包括偏心轮式可变电容、相位判断模块、电容测量装置、数据处理模块和触发模块；相位判断模块判断偏心轮式可变电容的相位并输出相位数据给数据处理模块；电容测量装置测量偏心轮式可变电容的电容数据，并输出电容数据给数据处理模块；数据处理模块包括模数转换模块和单片机，单片机接收相位数据和经模数转换模块模数转换后的电容数据，单片机计算偏心轮重叠角度a和车辆姿态角e并输出；触发模块与单片机相联接，触发模块通过单片机的指令触发电容测量装置； 如图2所示，偏心轮式可变电容，它包括支撑架8、基座12、旋转轴9、偏心轮2、固定叶片3和活动叶片1 ;旋转轴9由两个支撑架8支撑[旋转轴9能旋转；本实施例采用
两个支撑架8上均设有旋转轴孔，且两个旋转轴孔的轴线位于同一水平面上，旋转轴9的两
端部均为锥体，旋转轴9的两端部分别对应插入两个支撑架8上的旋转轴孔中；还可采用旋
转轴9的两端部分别由轴承与支撑架8相连；还可采用支撑架8上均设有旋转轴槽，旋转轴9的两端部分别搁置在旋转轴槽内；等等]，偏心轮2和半圆形的活动叶片1固定在旋转轴9上，半圆形的固定叶片3固定在基座12上，固定叶片3与活动叶片1相邻且相互重叠(固定叶片3、活动叶片1均为1-100片)，并且固定叶片3与活动叶片1之间利用空气作为绝缘介质形成可变电容；支撑架8、基座12和旋转轴9的材质为导电材料，基座12上设有第一接线柱并由第一导线13与电容测量装置联接，其中一个支撑架8上设有第二接线柱并由第二导线14与电容测量装置联接。 如图2所示，相位判断模块包括换向器11、电刷5、接线柱7，换向器11安装在旋转轴9上，换向器11与旋转轴9之间设有绝缘环10 (通过绝缘环10绝缘)，换向器11由导电半圆环和绝缘半圆环组成(即分为两相)；电刷5位于导电半圆环和绝缘半圆环结合处，电刷5与换向器的导电半圆环相接触时构成一个相位输出极，电刷5与换向器的绝缘半圆环相接触时构成另一个相位输出极，(当电刷5水平放置的时候，换向器180。分割线与偏心轮2的水平线垂直)，电刷5与第三接线柱7上的接线端子6相联接输出相位P，接线端子6通过第三导线15与单片机相联接；换向器11的导电半圆环与旋转轴9通过第四导线4相连构成换向器11的一个相，该相为导电相，当电刷5与导电半圆环(导电相)接触时，输出高电位，表示一个180°区间，表示偏心轮的重心偏向右边，相应的汽车偏向左边；当电刷5与绝缘半圆环(即绝缘相，另一相为绝缘相)接触时，输出低电位，表示另一个180。区间，表示偏心轮的重心偏向左边，相应的汽车偏向右边。 如图3所示，所述的触发模块为继电器(KM)，图3中C。表示系统电容，Ca表示可变电容，E表示电源。 所述的电容测量装置为充/放电电容测量电路、AC电桥电容测量电路、交流锁相放大电容测量电路、基于V/T变换的电容测量电路、基于混沌理论的恒流式混沌测量电路或基于电荷放大原理的电容测量电路中的任意一种(采用现有公知技术)。 如图5所示，工作流程启动后接通继电器开关KM;采集换向器的输出相位P ;测量总可变电容C;计算偏心轮重叠角度a ;计算并输出车辆姿态角9。单片机从电容测量
电路中采集到总可变电容c的数据，总可变电容c的数据分为两部分， 一部分是电容测量电路测出的可变电容c;，另一部分为与可变电容无关的系统电容c。， C。是在可变电容固定叶
片和旋转的叶片为零重叠时候的电容，当可变电容固定叶片和旋转的叶片有重叠时，重叠部分的电容为可变电容Q，可变电容Ca与偏心轮重叠角度呈线性关系，当他们完全重叠的时候为Cmax ;从换向器得到的相位P，换向器的作用可以保证整个测量的电容数据与偏心轮旋转的角度具有一一对应的关系，单片机将总可变电容C的数据和相位P数据收集，先通过关系公式计算出偏心轮重叠角度a (即可变电容与固定电容之间夹角)，然后考虑到偏转
方向，得出车辆姿态角e，具体计算公式为 <formula>formula see original document page 5</formula>
可变电容相位输出与重叠角度的函数关系图如图4所示。
本实施例使用时水平固定在车辆中即可。
实施例2 : 本实施例原理和结构与实施例1相同，其不同之处在于所述的活动叶片和偏心轮为一整体，如图6所示，活动叶片1直接由偏心轮切割而成，这两个构件合在一起，可以确保偏心轮重叠角度与活动叶片时刻保持一致，且节约材料。
实施例3 : 本实施例原理与实施例1相同，结构与实施例1大致相同，其不同之处在于
所述的相位判断模块为继电器；偏心轮式可变电容的固定叶片为4片，每片为四分之一的圆，分别固定在四个基座上形成一个整圆，四个基座引出电容的四个脚，分别与继电器的四个开关相联接，形成四个电容，如图7和图8所示，图中16为绝缘固定夹板。
在旋转的过程中，由于每片固定叶片3与活动叶片1重叠的角度不同，每个电容的变化规律如图11所示，在旋转的过程中，总有一个电容可以保证最大负荷，通过该负荷测定最大电容可以知道偏心轮的相位情况。Q、 C2、 C3、 C4为可变电容叶片与四个固定叶片分别的电容值。在旋转的过程中，活动叶片总与四片固定叶片中的三片相重叠(在水平和垂直位置时只与其中的两片相重叠)，其中，与中间的固定叶片满重叠，与另外相邻两固定叶片部分重叠，与部分重叠的两个叶片形成两个重合角度Pi，这两个角度之间是90。。
如图9、图IO所示，系统除了固定叶片和活动叶片之间存在电容之外，系统还由于各部件存在电感导致系统具有系统电容C。，该系统测量方法是首先启动单片机，由单片机给出指令，分别打开与固定叶片相连的四个电极继电器控制开关K1、K2、K3、K4，单独接通四个电容，并测量每个电容的数值Cl、 C2、 C3、 C4，然后根据Cl、 C2、 C3、 C4的值判断偏心轮所处的相位，计算偏心轮的角度。如果活动叶片旋转一周，则电容变化呈现四个阶段，即线性增加，最大状态，然后线性下降，最小状态。各个叶片的电容只能处于四个状态的一种，每旋转一周每个电容重复四个阶段一次，通过比较电容的最大电容和最小电容可以确定偏心轮的相位，当固定叶片电容最大时表示表示固定叶片重叠处于活动叶片覆盖中心，可以从图11中看出，在特定的位置，活动叶片可以覆盖两个固定叶片，此时该角度与两个固定的叶片的重心连线一致，可设定车辆左偏时车辆姿态角9为正，具体计算方法如下
1)当偏心轮旋转到完全覆盖活动叶片C3，与C4和C2重合角度为13 4、 13 2时，C3 = Cmax， d = 0 ; 车辆姿态角为
r 一c
^= l4 、 90。
2)当C3 = C4 = C隨，车辆姿态角为:9 =90° 3)当偏心轮旋转到完全覆盖活动叶片C4，与Q和C3重合角度为13 p 13 3时，C4 =
C隨，C2 — 0 ; 车辆姿态角为
6>= Cl—C。 90。+%。
4)当C4 = Q = C,，车辆姿态角为e = 180° 5)当偏心轮旋转到完全覆盖活动叶片C17与C2和C4重合角度为0 2、 13 4时，Q =
Cmax' C3 = 0 ; 车辆姿态角为
<formula>formula see original document page 7</formula> 6)当Q = C2 = Cmax，车辆姿态角度为9 = 270° 7)当偏心轮旋转到完全覆盖活动叶片C2，与C3和q重合角度为0 3、 13丄时，C2 =
C隨，C4 — 0 ; 车辆姿态角为
<formula>formula see original document page 7</formula> 8)当C2 = C3 = C鹏，车辆姿态角为9 = 360° =0° 。
权利要求
可变电容式车辆姿态检测仪，它包括偏心轮式可变电容、相位判断模块、电容测量装置、数据处理模块和触发模块；相位判断模块判断偏心轮式可变电容的相位并输出相位数据给数据处理模块；电容测量装置测量偏心轮式可变电容的电容数据，并输出电容数据给数据处理模块；数据处理模块包括模数转换模块和单片机，单片机接收相位数据和经模数转换模块模数转换后的电容数据，单片机计算偏心轮重叠角度α和车辆姿态角θ并输出；触发模块与单片机相联接，触发模块通过单片机的指令触发电容测量装置；偏心轮式可变电容，它包括支撑架(8)、基座(12)、旋转轴(9)、偏心轮(2)、固定叶片(3)和活动叶片(1)；旋转轴(9)由两个支撑架(8)支撑，偏心轮(2)和半圆形的活动叶片(1)固定在旋转轴(9)上，半圆形的固定叶片(3)固定在基座(12)上，固定叶片(3)与活动叶片(1)相邻且相互重叠，并且固定叶片(3)与活动叶片(1)之间利用空气作为绝缘介质形成可变电容；支撑架(8)、基座(12)和旋转轴(9)的材质为导电材料，基座(12)上设有第一接线柱并由第一导线(13)与电容测量装置联接，其中一个支撑架(8)上设有第二接线柱并由第二导线(14)与电容测量装置联接。
2. 根据权利要求1所述的可变电容式车辆姿态检测仪，其特征在于相位判断模块包括换向器(1D、电刷(5)、接线柱(7)，换向器(11)安装在旋转轴(9)上，换向器(11)与旋转轴(9)之间设有绝缘环(IO)，换向器(11)由导电半圆环和绝缘半圆环组成；电刷(5)位于导电半圆环和绝缘半圆环结合处，电刷(5)与换向器的导电半圆环相接触时构成一个相位输出极，电刷(5)与换向器的绝缘半圆环相接触时构成另一个相位输出极，电刷(5)与第三接线柱(7)上的接线端子(6)相联接输出相位P，接线端子(6)通过第三导线(15)与单片机相联接；换向器(11)的导电半圆环与旋转轴(9)通过第四导线(4)相连构成换向器(11)的一个相，该相为导电相，当电刷(5)与导电半圆环接触时，输出高电位，表示一个180°区间，表示偏心轮的重心偏向右边，相应的汽车偏向左边；当电刷(5)与绝缘半圆环接触时，输出低电位，表示另一个180°区间，表示偏心轮的重心偏向左边，相应的汽车偏向右边。
3. 根据权利要求1所述的可变电容式车辆姿态检测仪，其特征在于所述的触发模块为继电器。
4. 根据权利要求1所述的可变电容式车辆姿态检测仪，其特征在于所述的电容测量装置为充/放电电容测量电路、AC电桥电容测量电路、交流锁相放大电容测量电路、基于V/T变换的电容测量电路、基于混沌理论的恒流式混沌测量电路或基于电荷放大原理的电容测量电路中的任意一种。
5. 根据权利要求1所述的可变电容式车辆姿态检测仪，其特征在于所述的活动叶片和偏心轮为一整体。
6. 根据权利要求1所述的可变电容式车辆姿态检测仪，其特征在于所述的相位判断模块为继电器；偏心轮式可变电容的固定叶片为4片，每片为四分之一的圆，分别固定在四个基座上形成一个整圆，四个基座引出电容的四个脚，分别与继电器的四个开关相联接，形成四个电容。
全文摘要
本发明涉及一种载运工具姿态检测装置。可变电容式车辆姿态检测仪，它包括偏心轮式可变电容、相位判断模块、电容测量装置、数据处理模块和触发模块；相位判断模块判断偏心轮式可变电容的相位并输出相位数据给数据处理模块；电容测量装置测量偏心轮式可变电容的电容数据，并输出电容数据给数据处理模块；数据处理模块包括模数转换模块和单片机，单片机接收相位数据和经模数转换模块模数转换后的电容数据，单片机计算偏心轮重叠角度α和车辆姿态角θ并输出；触发模块与单片机相联接，触发模块通过单片机的指令触发电容测量装置。本发明能够准确测量载运工具姿态，成本低，易操作，磨损小，使用寿命长。
文档编号G01B7/30GK101782366SQ201010111319
公开日2010年7月21日 申请日期2010年2月5日 优先权日2010年2月5日
发明者严新平, 吕植勇, 彭琦, 汪国兴, 熊迹, 程志端, 陈超, 马定国 申请人:武汉理工大学