CN104215278A - 物流环境下产品的多种运动参数测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了物流环境下产品的多种运动参数测量装置及测量方法，装置包括主体装置和同步授时装置；所述主体装置包括微处理器，以及均与微处理器连接的感应单元、实时时钟单元、数据存储单元、电源管理单元、复位单元、无线射频收发接口和同步授时接口；所述主体装置通过同步授时接口与同步授时装置连接；本发明可以时间同步地对产品的加速度、速度、姿态等运动参数进行测量，并且可以把测到的海量数据存储起来，方便离线研究分析，实用性强、可以作为评估在物流环境下产品的安全性的检测装置。

Description

物流环境下产品的多种运动参数测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及物流运输的率研究领域，特别涉及一种物流环境下产品的多种运动参数测量装置及测量方法。

背景技术

物流产业提高了生产阶段各环节之间以及从生产场所到消费场所之间整个过程的物质资料的流动速度和效率。物流技术的进步，降低了产品在流通过程中的成本，提高了经济效益和社会效益。因此，物流工程和管理这门技术，被喻为“第三利润源”。

目前，我国物流领域由于信息化程度低，物流可靠性、安全性差，货运安全问题越来越突出。特别是重要产品和危险品对运输环境条件要求高，特别是振动环境对产品的影响，如产品的加速度、角速度、姿态，环境的气压、磁场、温度等，对物流环境下产品的安全性、可靠性、信息化等提出了新的要求。因此，建立一套用于物流环境下产品的多运动参数智能测量装置，实现对其在运输过程中的实时监测和安全状态评估，具有十分重要的意义和价值。

发明内容

本发明针对现有物流监控中对产品的运动参数监测的不足，提供一种物流环境下产品的多种运动参数测量装置。

本发明的另一目的在于，提供一种物流环境下产品的多种运动参数测量装置的测量方法。

为了达到上述第一目的，本发明采用以下技术方案：

物流环境下产品的多种运动参数测量装置，包括主体装置和同步授时装置；所述主体装置包括微处理器，以及均与微处理器连接的感应单元、实时时钟单元、数据存储单元、电源管理单元、复位单元、无线射频收发接口和同步授时接口；所述主体装置通过同步授时接口与同步授时装置连接；装置使用前，同步授时装置对装置主体部分的实时时钟单元进行时间同步，微处理器通过感应单元测量各种运动参数和磁场方向，通过姿态融合算法，得到产品实时姿态；通过数据存储单元把产品的运动参数、物流环境气压值、磁场方向、温度和测量的当前时刻存储起来，电源管理单元给主体装置供电，无线射频收发模块提供无线扩展接口。

优选的，所述感应单元包括三轴加速度采样电路、三轴磁场方向采样电路、气压采样电路以及三轴角速度采样电路，所述三轴加速度采样电路、三轴磁场方向采样电路、气压采样电路以及三轴角速度采样电路均与微处理器连接。

优选的，所述感应单元通过I²C通信协议与微处理器进行通信。

优选的，所述电源管理单元是由电压转换电路、稳压电路组成，电源管理单元一端连接可移动可充电电源，另一端连接所述的主体装置，为主体装置提供能源。

优选的，所述无线射频收发接口包括2.4G射频单片机。

优选的，还包括用于向外传输运动参数并将越限报警信号传输给其他设备的RFID接口电路。

为了达到上述另一目的，本发明采用以下技术方案：

一种物流环境下产品的多种运动参数测量装置的测量方法，包括下述步骤：

1)同步授时装置获取北斗卫星导航系统的时间信息，当获取时间正常时，通过发光二极管常亮显示；

2)主体装置通过同步授时接口与同步授时装置相连，接收当前的时间信息，并写入到实时时钟单元，此时实时时钟单元可以自主完成计时功能，可以断开主体装置与同步授时装置的连接；

3)主体装置内的微处理器按照设定的速度采集感应单元内三轴加速度、三轴角速度和三轴磁场方向的数据，通过姿态融合算法，得到产品实时姿态，同时还可以测量物流环境气压值、温度；并将上述数据连同当前时刻写入数据存储单元；

4)主体装置内的微处理器对每秒内测量的数据进行处理，得到各类别测量数据的最大值、最小值、平均值、有效值；并通过无线射频收发接口发送这些数据。

优选的，步骤(3)中，通过姿态融合算法，得到产品实时姿态的步骤为：

(3-1)对I²C接口电路、传感器单元进行初始化，初始化陀螺仪偏差w1、w2、w3；四元数q0、q1、q2、q3；

(3-2)读取三轴加速度ax、ay、az，三轴陀螺仪gx、gy、gz，三轴磁力计mx、my、mz的当前值；

(3-3)根据偏差，修正gx、gy、gz， $\left[\begin{array}{c}\mathrm{gx}\\ \mathrm{gy}\\ \mathrm{gz}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{gx}\\ \mathrm{gy}\\ \mathrm{gz}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}w1\\ w2\\ w3\end{array}\right];$

更新四元数 $\left[\begin{array}{c}q0\\ q1\\ q2\\ q3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}q0\\ q1\\ q2\\ q3\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}-q1& -q2& -q3\\ q0& -q3& q2\\ q3& q0& -q1\\ -q2& q1& q0\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}\mathrm{gx}\\ \mathrm{gy}\\ \mathrm{gz}\end{array}\right]*\mathrm{\Δt};$

初始化测量矩阵H、误差协方差矩阵P、测量噪声协方差矩阵R，则卡尔曼滤波器的增益为K＝PH^T(HPH^T+R)^-1，

则由得到准确的q0、q1、q2、q3；

其中为状态向量，为测量向量，为测量状态向量的预测值；

(3-5)更新姿态角；

θ_yaw＝-atan2(2*q1*q2+2*q0*q3,-2*q2*q2-2*q3*q3+1)

θ_pitch＝-asin(-2q1*q3+2*q0*q2)

θ_roll＝atan2(2*q2*q3+2*q0*q1,-2q1*q1-2q2*q2+1)

返回(3-2)重复执行。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明所提供的多种运动参数测量装置以每秒200次采集产品的加速度、角速度、磁场、姿态等运动参数的数据，以及气压、温度等物流环境参数的数据。而现有的检测装置，在测量种类和测量精度上，都有一定的缺陷。

2、本发明的测量装置可以时间同步地采集数据，即装置记录了测量数据发生的准确时刻。在多个测量装置同时测量的情况下，进行同步测量，为分析各被测件间运动的关联关系提供了方便。

3、本发明可以将上述海量数据存储进大容量SD卡中，方便离线研究分析，可以结合物流交通工具的所在位置和速度等信息，进行实时路况分析，可以判断出易对产品构成威胁的危险路段。该功能实用性强、可以作为评估物流环境下产品的安全性的一种方法。

附图说明

图1是本专利实施例之多种运动参数测量装置的结构示意图；

图2是本专利实施例之微处理器结构示意图；

图3是本专利实施例之I²C接口电路的示意图；

图4是本专利实施例之感应单元的三轴加速度采样电路的电路示意图；

图5是本专利实施例之感应单元的三轴磁场方向采样电路的电路示意图；

图6是本专利实施例之感应单元的气压采样电路的电路示意图；

图7是本专利实施例之感应单元的三轴角速度采样电路的电路示意图；

图8是本专利实施例之实时时钟电路示意图；

图9是本专利实施例之数据存储单元的SDIO接口电路示意图；

图10是本专利实施例之USART接口电路示意图；

图11是本专利实施例之北斗导航授时模块的电路示意图；

图12是本专利实施例之无线射频模块的原理图；

图13是本专利实施例之电源电路的原理图；

图14是本专利实施例之复位电路的原理图；

图15是本专利实施例之采用姿态融合算法得到产品实时姿态的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

在图1中，本实施例多种运动参数测量装置，该装置包括：装置主体部分和同步授时装置。装置主体部分包括：微处理器、感应单元、实时时钟单元、数据存储单元、电源管理单元、复位单元、无线射频收发接口、同步授时接口。本实施例工作机理：首先，须使用北斗导航授时模块正常工作，通过同步授时接口对该装置主体部分的实时时钟单元进行时间的同步。微处理器向多种传感器高速查询和收集传感器当前数据，然后把传感数据进行融合算法通过算法求出实时姿态参数，并连同加速度、角速度、磁场方向、姿态等运动参数及环境气压、温度等参数，并从实时时钟单元读取当前时刻，存储到海量SDHC卡中。本实施例还提供RFID接口电路，为以后需要往外传输相关运动参数数据、越限报警信号传输至其他设备。

在图中2，微处理器可以使用单片机，如51，AVR，PIC、ARM等。在这里，选用意法半导体公司的STM32F4作为装置核心，STM32F4是一款ARM Cortex-M4处理器，工作频率为168MHz，外设丰富，具有3个I²C接口、4个USART接口、1个SDIO接口等，同时它还实现了一套完整的DSP指令、及浮点单元，为数据处理提供了高性能平台。

在图3中，I²C接口电路，微处理器带有I²C接口，可以连接I²C接口的相关电路元件。在这里，微处理器作为I²C总线的主机，从机为三轴加速度采样单元、三轴磁场方向采样单元、气压采样单元、三轴倾角采样单元、实时时钟模块，微处理器通过I²C总线与轮流查询从机各单元来获得相关数据，有很高通信稳定性。

在图4中，感应单元的三轴加速度采样电路可以由基于MEMS的集成电路构成，如ADI公司的ADXL345。ADXL345采用MEMS技术具有SPI和I²C数字输出功能的三轴加速度计，具有小巧轻薄、超低功耗、可变量程、高分辨率等特点。最大量程可达±16g，另可选择±2、±4、±8g量程，可采用固定的4mg/LSB分辨率模式，该分辨率可测得0.25°的倾角变化。在这里采用I²C数字输出接口与微处理器相连，为所述装置提供产品相对于空间三轴的加速度参数。

在图5中，感应单元的三轴磁场方向采样电路可以由基于MEMS的集成电路构成，如Hone_xwell公司的HMC5883。HMC5883采用I²C数字量输出接口；精度高：1－2度，内置12位A/D,OFFSET,SET/RESET电路，不会出现磁饱和现象，不会有累加误差；支持自动校准程序，简化使用步骤，终端产品使用非常方便；功耗低：供电电压1.8V,功耗睡眠模式：2.5微安。在这里为与HMC5883相关的电路和I²C接口电路，为所述装置提供产品相对于空间磁场参考方向的角度参数。

在图6中，感应单元的气压采样电路的电路由BMP085芯片构成。BMP085是一款高精度、超低能耗的压力传感器，绝对精度最低可以达到0.03hP，采用I²C数字量输出接口。在这里，采用I²C接口与微处理器相连。

在图7中，感应单元的三轴角速度采样电路由意法半导体公司(ST)的L3G4200D构成。L3G4200D由用户设定全部量程，低量程数值用于高精度慢速运动测量，而高量程则用于快速运动测量；提供一个16位数据输出，以及可配置的低通和高通滤波器等嵌入式数字功能；L3G4200D采用I²C数字量输出接口电路。

在图8中，实时时钟单元由高精度实时时钟集成电路构成，如爱普森公司的RX8025。RX8025是内置频率高精度调整的32.768kHz水晶振子的I²C总线接口方式的实时时钟模块，具有6种发生中断功能和2个系统的闹钟功能。本专利实施例通过I²C总线从RX8025读取检测运动参数时的时刻，以达到同步时间的目的。

在图9中，对于SD卡接口电路；微处理器带有1路SDIO接口，可支持SDHC，即高速大容量卡。微处理器把运动参数、融合后得到的姿态数据及当前时刻存到SD卡中，方便离线研究分析。

在图10中，对于USART接口电路；微处理器须带有2个USART接口，一个作为同步授时接口，由RS232电平转换集成电路构成，如MAX3232，装置主体通过RS232接口获取同步授时装置的当前时间信息，然后将时间信息写入实时时钟单元，完成授时；另一个和无线射频模块直接相连。

在图11中，北斗导航授时模块接口电路，用于确定当前卫星同步时间，可以选用的有蓝牙接口、串口UART、USB接口等，一般可选用串口接口北斗导航授时模块，如UM220模块。微处理器通过串口与UM220通信实现时间同步。当北斗导航授时模块插入时间同步接口，就会触发一外部中断通知微处理器，使微处理器执行与北斗导航授时模块的时间同步操作。

在图12中，无线射频模块可以选用2.4G射频单片机来实现，如nRF24LE1。无线射频模块为该装置主体提供了无线扩展功能，为以后远程传输越限数据至其他设备提供接口。

在图13中，电源供电电路，2节锂电池7.4V经稳压模块，再经过AMS1117-3.3稳压模块得到3.3V的直流工作电压，供给微处理器及其他电路实用。

在图14中，处理器的复位引脚为低电平有效，为了保证复位可靠性，可以选用复位专用电路。

本实施例物流环境下产品的多种运动参数测量装置的测量方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)同步授时装置获取北斗卫星导航系统的时间信息，当获取时间正常时，通过发光二极管常亮显示；

2)主体装置通过同步授时接口与同步授时装置相连，接收当前的时间信息，并写入到实时时钟单元，此时在实时时钟单元可以自动完成计时功能，断开主体装置与同步授时装置的连接；

3)主体装置内的微处理器按照设定的速度采集感应单元内三轴加速度、三轴角速度和三轴磁场方向的数据，通过姿态融合算法，得到产品实时姿态，同时还可以测量物流环境气压值、温度；并将上述数据连同当前时刻写入数据存储单元；

4)主体装置内的微处理器对每秒内测量的数据进行处理，得到各类别测量数据的最大值、最小值、平均值、有效值；并通过无线射频收发接口发送这些数据。

如图15所示，步骤(3)中，通过姿态融合算法，得到产品实时姿态的步骤为：

步骤(3)中，通过姿态融合算法，得到产品实时姿态的步骤为：

(3-1)对I²C接口电路、传感器单元进行初始化，初始化陀螺仪偏差w1、w2、w3；四元数q0、q1、q2、q3；

(3-2)读取三轴加速度ax、ay、az，三轴陀螺仪gx、gy、gz，三轴磁力计mx、my、mz的当前值；

(3-3)根据偏差，修正gx、gy、gz， $\left[\begin{array}{c}\mathrm{gx}\\ \mathrm{gy}\\ \mathrm{gz}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{gx}\\ \mathrm{gy}\\ \mathrm{gz}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}w1\\ w2\\ w3\end{array}\right];$

更新四元数 $\left[\begin{array}{c}q0\\ q1\\ q2\\ q3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}q0\\ q1\\ q2\\ q3\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}-q1& -q2& -q3\\ q0& -q3& q2\\ q3& q0& -q1\\ -q2& q1& q0\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}\mathrm{gx}\\ \mathrm{gy}\\ \mathrm{gz}\end{array}\right]*\mathrm{\Δt};$

初始化测量矩阵H、误差协方差矩阵P、测量噪声协方差矩阵R，则卡尔曼滤波器的增益为K＝PH^T(HPH^T+R)^-1，

则由得到准确的q0、q1、q2、q3；

其中为状态向量，为测量向量，为测量状态向量的预测值；

(3-5)更新姿态角；

θ_yaw＝-atan2(2*q1*q2+2*q0*q3,-2*q2*q2-2*q3*q3+1)

θ_pitch＝-asin(-2q1*q3+2*q0*q2)

θ_roll＝atan2(2*q2*q3+2*q0*q1,-2q1*q1-2q2*q2+1)

返回(3-2)重复执行。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.物流环境下产品的多种运动参数测量装置，其特征在于，包括主体装置和同步授时装置；所述主体装置包括微处理器，以及均与微处理器连接的感应单元、实时时钟单元、数据存储单元、电源管理单元、复位单元、无线射频收发接口和同步授时接口；所述主体装置通过同步授时接口与同步授时装置连接；装置使用前，同步授时装置对装置主体部分的实时时钟单元进行时间同步，微处理器通过感应单元测量各种运动参数和磁场方向，通过姿态融合算法，得到产品实时姿态；通过数据存储单元把产品的运动参数、物流环境气压值、磁场方向、温度和测量的当前时刻存储起来，电源管理单元给主体装置供电，无线射频收发模块提供无线扩展接口。

2.根据权利要求1所述的物流环境下产品的多种运动参数测量装置，其特征在于，所述感应单元包括三轴加速度采样电路、三轴磁场方向采样电路、气压采样电路以及三轴角速度采样电路，所述三轴加速度采样电路、三轴磁场方向采样电路、气压采样电路以及三轴角速度采样电路均与微处理器连接。

3.根据权利要求2所述的物流环境下产品的多种运动参数测量装置，其特征在于，所述感应单元通过I²C通信协议与微处理器进行通信。

4.根据权利要求1所述的物流环境下产品的多种运动参数测量装置，其特征在于，所述电源管理单元是由电压转换电路、稳压电路组成，电源管理单元一端连接可移动可充电电源，另一端连接所述的主体装置，为主体装置提供能源。

5.根据权利要求1所述的物流环境下产品的多种运动参数测量装置，其特征在于，所述无线射频收发接口包括2.4G射频单片机。

6.根据权利要求1所述的物流环境下产品的多种运动参数测量装置，其特征在于，还包括用于向外传输运动参数并将越限报警信号传输给其他设备的RFID接口电路。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的物流环境下产品的多种运动参数测量装置的测量方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)同步授时装置获取北斗卫星导航系统的时间信息，当获取时间正常时，通过发光二极管常亮显示；

2)主体装置通过同步授时接口与同步授时装置相连，接收当前的时间信息，并写入到实时时钟单元，此时实时时钟单元可以自主完成计时功能，可以断开主体装置与同步授时装置的连接；

3)主体装置内的微处理器按照设定的速度采集感应单元内三轴加速度、三轴角速度和三轴磁场方向的数据，通过姿态融合算法，得到产品实时姿态，同时还可以测量物流环境气压值、温度；并将上述数据连同当前时刻写入数据存储单元；

4)主体装置内的微处理器对每秒内测量的数据进行处理，得到各类别测量数据的最大值、最小值、平均值、有效值；并通过无线射频收发接口发送这些数据。

8.根据权利要求7所述的物流环境下产品的多种运动参数测量装置的测量方法，步骤3)中，通过姿态融合算法，得到产品实时姿态的步骤为：

(3-1)对I²C接口电路、传感器单元进行初始化，初始化陀螺仪偏差w1、w2、w3；四元数q0、q1、q2、q3；

(3-2)读取三轴加速度ax、ay、az，三轴陀螺仪gx、gy、gz，三轴磁力计mx、my、mz的当前值；

(3-3)根据偏差，修正gx、gy、gz， $\left[\begin{array}{c}\mathrm{gx}\\ \mathrm{gy}\\ \mathrm{gz}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{gx}\\ \mathrm{gy}\\ \mathrm{gz}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}w1\\ w2\\ w3\end{array}\right];$

更新四元数 $\left[\begin{array}{c}q0\\ q1\\ q2\\ q3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}q0\\ q1\\ q2\\ q3\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}-q1& -q2& -q3\\ q0& -q3& q2\\ q3& q0& -q1\\ -q2& q1& q0\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}\mathrm{gx}\\ \mathrm{gy}\\ \mathrm{gz}\end{array}\right]*\mathrm{\Δt};$

(3-4)采用卡尔曼滤波算法进行姿态更新；

初始化测量矩阵H、误差协方差矩阵P、测量噪声协方差矩阵R，则卡尔曼滤波器的增益为K＝PH^T(HPH^T+R)^-1，

则由得到准确的q0、q1、q2、q3；

其中为状态向量，为测量向量，为测量状态向量的预测值；

(3-5)更新姿态角；

θ_yaw＝-atan2(2*q1*q2+2*q0*q3,-2*q2*q2-2*q3*q3+1)

θ_pitch＝-asin(-2q1*q3+2*q0*q2)

θ_roll＝atan2(2*q2*q3+2*q0*q1,-2q1*q1-2q2*q2+1)

返回(3-2)重复执行。