劉越　周志衛(wèi)　劉芳　張建

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

關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)物體；分離參數(shù)；加速度計(jì)

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的不斷發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視物體的空間定位以及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的變化和軌跡，而如何精確地測(cè)量出運(yùn)動(dòng)物體的變化分離參數(shù)已經(jīng)成為一個(gè)重要的研究課題。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，大型機(jī)械件的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)非常快速的過(guò)程，同時(shí)呈現(xiàn)復(fù)雜的三維六自由度運(yùn)動(dòng)模式。我們通過(guò)研究和驗(yàn)證，提出了采用加速度傳感器進(jìn)行分離參數(shù)測(cè)量的思路，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了這一方法的有效性。

1 分離參數(shù)光學(xué)測(cè)量方法的局限性

光學(xué)測(cè)量方法是一種基于高速攝影和運(yùn)動(dòng)分析技術(shù)的測(cè)量方法，它利用高速攝影機(jī)拍攝物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并采用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)運(yùn)動(dòng)物體分離全過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)計(jì)算得出物體上各測(cè)量點(diǎn)的分離參數(shù)。光學(xué)測(cè)量方法雖然具有非接觸、抗干擾、測(cè)量結(jié)果直觀可見(jiàn)等顯著優(yōu)點(diǎn)，但要求用于測(cè)量的目標(biāo)點(diǎn)在整個(gè)分離過(guò)程中，必須處于高速攝影的可視范圍內(nèi)。

1）但是，運(yùn)動(dòng)物體分離過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的多體動(dòng)力學(xué)過(guò)程。運(yùn)動(dòng)物體呈現(xiàn)復(fù)雜的三維六自由度運(yùn)動(dòng)模式，使得目標(biāo)點(diǎn)可能被物體自身遮擋，且物體分離運(yùn)動(dòng)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(cè)量方法并不適用于復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)物體分離參數(shù)測(cè)量。

2）對(duì)于三維六自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家也開(kāi)發(fā)了使用多臺(tái)高速攝影機(jī)同時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析的方法，但該方法不僅需要多達(dá)7臺(tái)高速攝影機(jī)在不同的角度同時(shí)拍攝，還需要復(fù)雜的標(biāo)定過(guò)程，以及昂貴的專(zhuān)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(jì)進(jìn)行分離參數(shù)測(cè)量的技術(shù)途徑

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，我們想到使用加速度計(jì)測(cè)量的方法。加速度計(jì)因其頻響寬、動(dòng)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(jì)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的分離加速度，既克服了運(yùn)動(dòng)物體質(zhì)心難以跟蹤的困難，又解決了目標(biāo)點(diǎn)不可視的問(wèn)題。

加速度計(jì)在使用過(guò)程中主要關(guān)心的技術(shù)指標(biāo)為：測(cè)量對(duì)象、測(cè)量環(huán)境、靈敏度、頻率范圍和精確度等。由于運(yùn)動(dòng)物體分離過(guò)程中，物體的加速度信號(hào)變化頻率較小，因此選擇變電容式超低頻加速度計(jì)。變電容加速度計(jì)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(dòng)、運(yùn)動(dòng)以及穩(wěn)態(tài)加速度測(cè)量。

在采用超低頻加速度計(jì)進(jìn)行分離參數(shù)測(cè)量時(shí)，需要將加速度計(jì)安裝在運(yùn)動(dòng)物體，同時(shí)連接信號(hào)適調(diào)器（信號(hào)調(diào)理放大器）和數(shù)據(jù)采集儀等其它測(cè)量設(shè)備。通過(guò)對(duì)測(cè)得的加速度進(jìn)行積分可以方便地得到運(yùn)動(dòng)物體每個(gè)測(cè)量點(diǎn)處的分離速度、分離位移等分離參數(shù)，通過(guò)對(duì)多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)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(xiàng)分離參數(shù)。

2.1 加速度計(jì)測(cè)量的方法和步驟

第一步，安裝加速度計(jì)。由于運(yùn)動(dòng)物體外形的差異性，為保證加速度計(jì)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(jì)通過(guò)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(lái)。

第二步，加速度測(cè)試系統(tǒng)。為選擇合適的濾波值，以消除物體在分離過(guò)程中自身產(chǎn)生的振蕩對(duì)加速度測(cè)量結(jié)果的影響。我們將加速度計(jì)的輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)適調(diào)器和電荷放大器送出，輸出信號(hào)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(yùn)算。對(duì)經(jīng)過(guò)超低頻加速度計(jì)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(yùn)算處理，即可得到運(yùn)動(dòng)物體質(zhì)心處的速度。將三個(gè)三軸向超低頻加速度計(jì)分別安裝在運(yùn)動(dòng)物體質(zhì)心處，即可連續(xù)地測(cè)出每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的加速度，然后經(jīng)過(guò)上述積分運(yùn)算得到速度分量，再次積分運(yùn)算得到每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的空間位置，通過(guò)對(duì)多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，即可得到運(yùn)動(dòng)物體的分離姿態(tài)和分離軌跡。

2.2 加速度計(jì)測(cè)量結(jié)果的數(shù)學(xué)運(yùn)算

首先，為消除加速度計(jì)的零點(diǎn)偏置，對(duì)加速度值進(jìn)行差值處理；其次，從測(cè)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(guò)程中自身產(chǎn)生的振蕩對(duì)加速度測(cè)量結(jié)果的影響，故采用移動(dòng)均值濾波方法對(duì)加速度值進(jìn)行處理。最后，對(duì)加速度值進(jìn)行積分運(yùn)算，得到運(yùn)動(dòng)物體質(zhì)心處的速度。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體分離參數(shù)測(cè)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(shí)際驗(yàn)證，加速度計(jì)完全可以解決運(yùn)動(dòng)物體分離參數(shù)的測(cè)量問(wèn)題，且具有較高的測(cè)量精度；

2）這種方法通過(guò)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體上典型位置的加速度，在經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算得到速度、位移和姿態(tài)，可實(shí)現(xiàn)在一次測(cè)量完成多種分離參數(shù)的測(cè)量與分析；

3）使用本文方法，應(yīng)用多個(gè)三軸向超低頻加速度計(jì)，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體三維六自由度的分離參數(shù)的測(cè)試與分析。

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作者簡(jiǎn)介：劉越（1988-），女，河南周口人，碩士，主要從事試驗(yàn)與測(cè)試方向的研究。