加速度计在运动物体分离参数测量系统中的应用

刘越　周志卫　刘芳　张建

摘 要：运动物体的空间定位、分离变化参数以及运动轨迹已经越来越受到人们的重视。针对运动物体分离参数的测量问题，分析了光学测量方法存在的不足和局限性，提出了基于超低频加速度计的测量方法，该方法能够满足二维测量转变为三维测量、可视测量转变为不可视测量，且动态范围大、可靠度高和使用方便，同时给出了完整的测量方案。

关键词：运动物体；分离参数；加速度计

随着计算机科学的不断发展，人们越来越重视物体的空间定位以及运动过程中的变化和轨迹，而如何精确地测量出运动物体的变化分离参数已经成为一个重要的研究课题。在工业现场，大型机械件的运动轨迹是一个非常快速的过程，同时呈现复杂的三维六自由度运动模式。我们通过研究和验证，提出了采用加速度传感器进行分离参数测量的思路，并通过试验验证了这一方法的有效性。

1 分离参数光学测量方法的局限性

光学测量方法是一种基于高速摄影和运动分析技术的测量方法，它利用高速摄影机拍摄物体的运动过程，并采用计算机软件对运动物体分离全过程进行运动学分析，并通过运动学参数计算得出物体上各测量点的分离参数。光学测量方法虽然具有非接触、抗干扰、测量结果直观可见等显著优点，但要求用于测量的目标点在整个分离过程中，必须处于高速摄影的可视范围内。

1）但是，运动物体分离过程是一个非常复杂的多体动力学过程。运动物体呈现复杂的三维六自由度运动模式，使得目标点可能被物体自身遮挡，且物体分离运动轨迹线远远超越高速摄影机的有效可视范围。因此，在多数情况下，光学测量方法并不适用于复杂的运动物体分离参数测量。

2）对于三维六自由度运动参数的测量，美国等发达国家也开发了使用多台高速摄影机同时进行运动分析的方法，但该方法不仅需要多达7台高速摄影机在不同的角度同时拍摄，还需要复杂的标定过程，以及昂贵的专用分析软件，由于缺乏相应的硬件和软件资源，目前采用这种方法在并不可行。

2 采用加速度计进行分离参数测量的技术途径

根据以往的经验，我们想到使用加速度计测量的方法。加速度计因其频响宽、动态范围大、可靠度高和使用方便，受到广泛的应用。因此，使用加速度计测量运动物体的分离加速度，既克服了运动物体质心难以跟踪的困难，又解决了目标点不可视的问题。

加速度计在使用过程中主要关心的技术指标为：测量对象、测量环境、灵敏度、频率范围和精确度等。由于运动物体分离过程中，物体的加速度信号变化频率较小，因此选择变电容式超低频加速度计。变电容加速度計具有高灵敏度、DC响应、窄频带以及出色的温度稳定性，所以非常适合于低频振动、运动以及稳态加速度测量。

在采用超低频加速度计进行分离参数测量时，需要将加速度计安装在运动物体，同时连接信号适调器（信号调理放大器）和数据采集仪等其它测量设备。通过对测得的加速度进行积分可以方便地得到运动物体每个测量点处的分离速度、分离位移等分离参数，通过对多个测量点的测量结果进行分析，可得到物体的分离姿态和分离轨迹等多项分离参数。

2.1 加速度计测量的方法和步骤

第一步，安装加速度计。由于运动物体外形的差异性，为保证加速度计与物体表面的稳固连接，故需要使用安装座安装，且将安装座侧面打磨至与物体表面弧度相匹配。为保证安装座本质上和安装表面融合在一起，且能够提供较好的传递性，我们将超低频加速度计通过螺柱安装在铝制安装座上。另外，為避免在物体表面打孔，我们采用通常被选用的粘接剂安装方法将安装座与物体粘接起来。

第二步，加速度测试系统。为选择合适的滤波值，以消除物体在分离过程中自身产生的振荡对加速度测量结果的影响。我们将加速度计的输出信号经信号适调器和电荷放大器送出，输出信号传送到数据采集仪，其中数据采集仪采用50Hz滤波，采样频率为2kHz。

第三步，积分运算。对经过超低频加速度计采集和数据采集仪滤波的加速度数据进行积分运算处理，即可得到运动物体质心处的速度。将三个三轴向超低频加速度计分别安装在运动物体质心处，即可连续地测出每个测量点的加速度，然后经过上述积分运算得到速度分量，再次积分运算得到每个测量点的空间位置，通过对多个测量点的测量结果进行分析，即可得到运动物体的分离姿态和分离轨迹。

2.2 加速度计测量结果的数学运算

首先，为消除加速度计的零点偏置，对加速度值进行差值处理；其次，从测量结果得知，当数据采集仪采用50Hz滤波，并不能完全消除物体在分离过程中自身产生的振荡对加速度测量结果的影响，故采用移动均值滤波方法对加速度值进行处理。最后，对加速度值进行积分运算，得到运动物体质心处的速度。

3 结论

通过对运动物体分离参数测量方法的研究和应用，我们可以得出以下结论：

1）经理论分析和实际验证，加速度计完全可以解决运动物体分离参数的测量问题，且具有较高的测量精度；

2）这种方法通过测量运动物体上典型位置的加速度，在经过积分运算得到速度、位移和姿态，可实现在一次测量完成多种分离参数的测量与分析；

3）使用本文方法，应用多个三轴向超低频加速度计，可实现运动物体三维六自由度的分离参数的测试与分析。

参考文献：

[1] 张海芳.基于MEMS加速度传感器的运动轨迹追踪检测系统研究[J].自动化与仪器仪表，2016（7）：115-119.

[2] 盛德兵，周志卫，张建.高速摄影运动分析系统测量误差研究[J].科技视界，2013（1）：59-60.

[3] 胡向东.传感器与检测技术[M].北京：机械工业出版社，2013，44-126.

[4] 刘利生.空间轨迹测量融合处理与精度分析[M].北京：清华大学出版社，2014，65-9.

作者简介：刘越（1988-），女，河南周口人，硕士，主要从事试验与测试方向的研究。