CN104359479A - 一种混凝土运动轨迹测量*** - Google Patents
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Abstract
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***；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。
Description
技术领域：
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***，通过测量混凝土在运输搅拌过程中的运动轨迹,分析发生离析现象的原因，优化混凝土搅拌运输车搅拌罐的设计，减小混凝土搅拌车骨料搅拌离析现象，提高混凝土搅拌质量。
背景技术：
目前，混凝土搅拌运输车的研究已向多功能、自动监控、多样化、成套化、新型材料的应用等方面发展，如搅拌车与泵车的结合、搅拌车加装传送带、超长搅拌罐的前卸式搅拌和复合材料罐体等。2000年，G.Micale等人使用Euler模型分别对单层浆和多层浆的搅拌槽内中低浓度固体颗粒的分散情况进行了研究，模拟结果和实验测量的固体颗粒在轴向浓度分布方面有比较好的一致性。2002年，M.Nocentini、D.Pinelli和F.Magelli对具有多重冲击的湍流泥浆反应器中的固相分散系数和沉降速度进行了研究，利用轴向沉降—分散模型对数据进行了分析，发现固相和液相在轴向的分散因数相差不超过20％。2005年，吉林大学王海英利用粒子成像测速***对搅拌筒内部流体流动状态进行了研究，得到了流体在搅拌筒内部的流动状态以及搅拌时的流体流线，使得流体在搅拌筒内部的流动更加直观化，其实验结果还存在实验粒子数较少、实验结果与真实混凝土搅拌车搅拌筒中运动轨迹有差异等诸多问题需要解决。在研究混凝土的运动机理相关方面，使用较多的还是CFD分析方法，如2005年北京化工大学的王振松所研究的固—液搅拌槽内槽底流场的CFD模拟问题，其使用计算流体力学CFD软件CFX-51511对搅拌槽内固液流场进行了数值模拟。2006年，Aoyi Ochieng和Alison E.Lewis对固体镍在搅拌槽内的浓度分布进行了仿真模拟和研究。2008年，吉林大学封立英研究的混凝土搅拌运送车多相流动的数值模拟中，利用CFD软件对混凝土搅拌输送车搅拌筒的内部流场进行了数值模拟，并对模拟结果进行了分析。研究表明，湍流传播力对于固体悬浮很重要，尤其对于高载固量的情况，且对于给定的载固量，固体浓度分布取决于颗粒尺寸及其分布情况；但目前这些研究普遍基于经验公式的部分，到目前暂时没有完全掌握混凝土在搅拌罐中的运动规律，所以有必要利用实验方法对混凝土在搅拌运输车中的运动机理进行研究。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，寻求设计一种混凝土运动轨迹测量***，将包括三轴加速传感器、三轴磁传感器和三轴陀螺仪传感器的传感器单元构成的测量***投放在混凝土搅拌灌中，对混凝土运动状态参数进行测量，分析采集数据，得到混凝土在搅拌罐中的加速度、角速度和磁场强度信息，利用软件工具进行惯导解算，实现搅拌罐中混凝土的运动轨迹测量。
为了实现上述目的，本发明装置的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。
本发明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。
本发明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。
本发明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(LDO)，具有3.0V和3.3V的二路独立控制的LDO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。
本发明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***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(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(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°/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gauss)。
本发明涉及的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，其流程如图2所示；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***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***进行解算得出；将采集到的加速度信息利用捷联惯导***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。
本发明***实现混凝土运动轨迹测量的步骤是：先将传感器单元固联在载体表面，再将载体放入混凝土搅拌车中进行采集得到载体运动的加速度与角速度参数，然后将传感器采集的数据通过计算机解算出物料的运动方向和姿态信息，分析得到混凝土运动轨迹，混凝土搅拌罐中混凝土物料运动轨迹的测量参数是物料运动的姿态角与加速度，将采集到的加速度信息利用常规的捷联惯导解算程序在PC端已有的MATLAB软件中进行处理，通过MATLAB软件的矩阵运算和数值分析功能，绘制出传感器单元在混凝土搅拌车中的运动曲线，即为混凝土运动的轨迹，作为分析混凝土离析现象的数据。
本发明与现有技术相比，其整体结构简单，原理可靠，测量操作简单，测量数据准确，造价低，能耗小，使用环境友好，使用寿命长。
附图说明：
图1为本发明装置的硬件组成结构原理示意框图。
图2为本发明装置的实现测量的工艺流程框图。
图3为本发明涉及的数据解算流程示意图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图做进一步说明。
实施例1：
本实施例的主体结构包括电源开关1、数据存储单元2、微处理器12、传感器单元11和接口单元7，传感器单元11、数据存储单元2、电源开关1和接口单元7分别与微处理器12电信息连通，实现数据信息的分析、处理和解算；传感器单元11为独立的封闭结构；电源开关1、数据存储单元2和微处理器12采用常规的现有技术结构；接口单元7由JATG口5和串口调试口6电信息连通组成；具有信息采集功能的传感器单元11包括基于MEMS三轴加速度传感器8、三轴磁场传感器9和三轴陀螺仪传感器10，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11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11在混凝土搅拌罐体中运行时，传感器单元11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2中，以备后续读取数据；数据存储单元2与传感器单元11之间采用有线通信，实现将每个传感器单元11所采集的数据通过SD卡4顺利取出，以便输入计算机进行数据解算。
本实施例涉及的传感器单元11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11通过I2C接口和SPI接口与微处理器12电信息相连；传感器单元11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。
本实施例涉及的微处理器12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。
本实施例涉及的电源开关1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(LDO)，具有3.0V和3.3V的二路独立控制的LDO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11使用，3.3V电压供微处理器12使用。
本实施例涉及的数据存储单元2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***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3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3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2的SD卡4内，或将数据转存到并行的Flash器件3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4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(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(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°/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gauss)。
本实施例涉及的传感器单元11对数据进行采集与存储，将采集的数据通过USB或SD卡4读出并解算得到结果，其流程如图2所示；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11，通过传感器单元11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11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***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11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***进行解算得出；将采集到的加速度信息利用捷联惯导***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11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。
本实施例***实现混凝土运动轨迹测量的步骤是：先将传感器单元11固联在载体表面，再将载体放入混凝土搅拌车中进行采集得到载体运动的加速度与角速度参数，然后将传感器11采集的数据通过计算机解算出物料的运动方向和姿态信息，分析得到混凝土运动轨迹，混凝土搅拌罐中混凝土物料运动轨迹的测量参数是物料运动的姿态角与加速度，将采集到的加速度信息利用常规的捷联惯导解算程序在PC端已有的MATLAB软件中进行处理，通过MATLAB软件的矩阵运算和数值分析功能，绘制出传感器单元11在混凝土搅拌车中的运动曲线，即为混凝土运动的轨迹，作为分析混凝土离析现象的数据。
实施例2：
本实施例涉及的工具设备为容积为15立方米的混凝土搅拌运输车一辆；8立方米塌落度为50的混凝土；传感器单元5个；金属探测器1个；传感器单元11加装LED指示灯及金属条并进行封装，以便测量后找回传感器；设定传感器单元11存储数据的频率为10Hz，时间持续20分钟；其测量过程为
(1)在混凝土搅拌灌中装入8立方米塌落度为50的混凝土，启动搅拌罐运转以每分钟12转速度旋转搅拌15分钟以达到稳态；
(2)将五个传感器单元11置于混凝土搅拌罐入料口，打开电源开关1，记录此时高度及经纬度，设置为初始零点，微处理器12开始工作，此时数据存数单元2开始记录初始数据；将传感器单元投入搅拌罐中与罐内混凝土一同运动，以此达到模拟混凝土中石块的目的；
(3)传感器单元11对自身在混凝土搅拌罐中运动得到的加速度等信息进行采集，通过微处理器12及数据存储单元2将采集之后的数据信息存储在数据存储单元2中；
(4)对混凝土搅拌罐中的混凝土进行卸料，利用肉眼观察指示灯及金属探测器，找到混凝土中的5个传感器单元11，将传感器单元11中的数据存储单元2的内存卡取出，在PC端进行数据读取；
(5)在市售的MATLAB软件中利用捷连惯导原理及相关程序，将读取的加速度、角加速度等数据信息导入程序中，得到各个数据的变化曲线，拟合三维空间的运动曲线，得到混凝土在搅拌罐中的运动轨迹，实现测量目的。
Claims (7)
1.一种混凝土运动轨迹测量***，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。
2.根据权利要求1所述的混凝土运动轨迹测量***，其特征在于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。
3.根据权利要求1所述的混凝土运动轨迹测量***，其特征在于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。
4.根据权利要求1所述的混凝土运动轨迹测量***，其特征在于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(LDO)，具有3.0V和3.3V的二路独立控制的LDO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。
5.根据权利要求1所述的混凝土运动轨迹测量***，其特征在于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***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(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(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°/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gauss)。
6.根据权利要求1所述的混凝土运动轨迹测量***，其特征在于涉及的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***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***进行解算得出；将采集到的加速度信息利用捷联惯导***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。
7.根据权利要求1所述的混凝土运动轨迹测量***，其特征在于***实现混凝土运动轨迹测量的步骤是：先将传感器单元固联在载体表面，再将载体放入混凝土搅拌车中进行采集得到载体运动的加速度与角速度参数，然后将传感器采集的数据通过计算机解算出物料的运动方向和姿态信息，分析得到混凝土运动轨迹，混凝土搅拌罐中混凝土物料运动轨迹的测量参数是物料运动的姿态角与加速度，将采集到的加速度信息利用常规的捷联惯导解算程序在PC端已有的MATLAB软件中进行处理，通过MATLAB软件的矩阵运算和数值分析功能，绘制出传感器单元在混凝土搅拌车中的运动曲线，即为混凝土运动的轨迹，作为分析混凝土离析现象的数据。
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