[发明专利]一种混凝土运动轨迹测量系统

摘要

本发明属于测量设备制造和应用技术领域，涉及一种混凝土运动轨迹测量系统；其传感器单元、数据存储单元、电源开关和接口单元分别与微处理器电信息连通，传感器单元为独立的封闭结构，包括基于MEMS三轴加速度传感器、三轴磁场传感器和三轴陀螺仪传感器，电源开关、数据存储单元和微处理器采用常规的现有技术结构，接口单元由JATG口和串口调试口电信息连通组成；工作时传感器单元在混凝土搅拌罐体中运行并采集其本身的运动加速度信息，后将数据存储在数据存储单元中，数据存储单元与传感器单元之间采用有线通信，实现数据取出和数据解算；其整体结构简单，原理可靠，测量数据准确，造价低，能耗小，使用环境友好，使用寿命长。

主权项

一种混凝土运动轨迹测量系统，其特征在于主体结构包括电源开关、数据存储单元、微处理器、传感器单元和接口单元，传感器单元、数据存储单元、电源开关和接口单元分别与微处理器电信息连通，实现数据信息的分析、处理和解算；传感器单元为独立的封闭结构；电源开关、数据存储单元和微处理器采用常规的现有技术结构；接口单元由JATG口和串口调试口电信息连通组成；具有信息采集功能的传感器单元包括基于MEMS三轴加速度传感器、三轴磁场传感器和三轴陀螺仪传感器，各传感器集成设计成为密封式一体结构并协同工作实现对混凝土搅拌罐中物料运动的各方向加速度、角加速度和磁场变化的测定；放入混凝土搅拌罐中的传感器单元的初始位置为混凝土卸料口，先按照采样要求设定好采样频率参数，并记录初始位置经纬度和离地高度的三维坐标数据，当传感器单元在混凝土搅拌罐体中运行时，传感器单元对其自身在搅拌罐中运动时所得到的加速度信息进行采集，再将采集后的各个数据存储在数据存储单元中，以备后续读取数据；数据存储单元与传感器单元之间采用有线通信，实现将每个传感器单元所采集的数据通过SD卡顺利取出，以便输入计算机进行数据解算；其中，所涉及的传感器单元采用具有低功耗工作模式的MEMS传感器结构，选择意法半导体9轴LSM9DS0传感模块，实现三轴加速度传感器、三轴陀螺传感器和三轴磁场传感器的综合功能；其测量最大角速率为2000dps，最大磁场强度为12gauss，最大加速度为16g，输出量程可选，供电电压为2.16V，具有掉电保护和低能耗省电以及自测试功能；LSM9DS0传感模块内置有一个I2C通讯接口和一个SPI标准接口，传感器单元通过I2C接口和SPI接口与微处理器电信息相连；传感器单元内含引脚中断信号，具有检测运动和磁场的能力，阈值和时间中断由最终用户编程设定；LSM9DS0传感模块采用塑料栅格阵列封装，在‑40℃到+85℃的温度范围内使用；传感器单元对数据进行采集与存储，将采集的数据通过USB或SD卡读出并解算得到结果；基于MATLAB软件的捷联惯导数据解算是将用于惯性测量的各传感器模块固联在载体表面构成传感器单元，通过传感器单元测量载体运动的加速度与角速度参数，然后将采集的信息参数通过计算机解算出物体的运动方向和状态信息，再利用传感器单元对混凝土运动轨迹进行测量，将航姿测量的基本理论应用于地面的混凝土搅拌罐中的运动轨迹，通过对捷联惯导系统的数学模型的分析，得到适合的姿态矩阵计算方案，并将其用于惯导解算软件的计算，求出姿态矩阵或姿态角；混凝土物料在混凝土搅拌罐中的运动轨迹，包含姿态角与加速度线性作用变化；传感器单元位置的变化是重要因素，先后出现许多姿态矩阵更新算法，并且需要对整个捷联惯导系统进行解算得出；将采集到的加速度信息利用捷联惯导系统原理的计算方法在PC端的MATLAB软件中进行仿真处理，通过MATLAB软件的矩阵运算及数值分析功能，绘制出传感器单元采集的信息数据仿真曲线，分析混凝土搅拌罐中的随混凝土运动轨迹，并分析混凝土离析现象；所涉及的微处理器采用ARM Cortex‑M4系列的STM32F407芯片，具有数字信号混合控制功能，内嵌浮点运算模块完成复杂的DSP运算；STM32F407将程序和数据存储器以及外设接口集成为一体结构，通过其内部集成的功率管理单元调整内部的电压转换器；所涉及的电源开关采用具有电源管理功能的电池供电方式，主电源为LP5996双路输出线性低压差稳压芯片，具有3.0V和3.3V的二路独立控制的低压差输出，禁止芯片吸收的虚电流低于10nA，输出35μA超低静态电流，具有过热、过流自关断保护功能，3.0V电压供给各IP2上位机接口的传感器单元使用，3.3V电压供微处理器使用；所涉及的数据存储单元具有并行接口与串行接口，选择AT45DB161串行Flash暂存数据，其工作电压为2.5V，工作电流为4mA；在进行数据存储时，减少数据读写次数以降低系统功耗，采集到数据时先将其以较紧凑的格式存储在板载的串行Flash器件内，当数据在板载串行的Flash期间保存的数据量达到512KB容量时，将Flash器件内的数据以页读的方式在较短时间内进行读取和处理，txt文本文件格式保存在数据存储单元的SD卡4内，或将数据转存到并行的Flash器件内长久保存；保存后的数据将在串行Flash内循环进行使用；SD卡内的文件命名方式以试验时间及采集数据的时间作为依据，将其定义为：xx‑xx‑xx，表示年‑月‑日，xx表示所占的数据位数为两位，下文中xx符号所表示含义同此，各个数据段之间以逗号隔开，如下：(1)将文件内采集数据存储的格式定义为：xx‑xx，表示时‑分；(2)三轴加速度传感器产生的三方向轴的加速度数据为：xx.x,yy.y,zz.z，保留一位小数，单位为m/s2；(3)三轴陀螺传感器产生的三方向轴的角速度数据为：xx.x,yy.y,zz.z，保留一位小数，单位为°/s；(4)三轴磁场传感器产生的三方向轴的磁场强度数据为xx.x,yy.x,zz.z，保留一位小数，单位为gauss。