CN104947371B - 一种基于mems传感器检测洗衣机振动位移数据的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MEMS传感器检测洗衣机振动位移数据的方法，包括通过MEMS传感器采集洗衣机外桶的三轴加速度数据；将三轴加速度数据分别通过二次积分转成对应的位移量数据；在转换前采用IIR滤波器滤除预设频率以下信号的数据；转换后判断洗衣机的转速，并根据洗衣机的转速选择不同IIR滤波器系数和滤波器增益对前一步骤得到的位移量数据进行矫正补偿，以消除洗衣机运行过程中存在的各种振动干扰信号，从而得到精度高的振动位移量数据输出。本发明通过对振动位移量数据的二次滤波处理，得到精度高的振动位移数据值并时时输出当前振动位移数据给洗衣机电脑控制器，以用来控制洗衣机运转电机的转速，优化洗涤程序，降低洗衣机的工作噪声和提高洗衣工作效率。

Description

一种基于MEMS传感器检测洗衣机振动位移数据的方法

技术领域

本发明涉及计算机程序应用技术领域，特别是涉及一种基于MEMS传感器检测洗衣机振动位移数据的方法。

背景技术

在洗衣机甩干过程当中，内桶高速旋转，其桶内衣物也随着甩干并做离心运动，这将产生振动，而且也会带动外桶振动，而外桶在振动过程中，如果振动幅度过大将会与洗衣机的外壳相碰撞。现有技术中是使用动平衡技术来减少这种振动，比如在外桶与外壳之间使用高刚度的吊杆弹簧以减小振动，但是，若外桶振动幅度过大仍然无法避免撞桶现象，因此，对洗衣机震动量位移的测量是控制振动提高洗衣机工作品质的关键。

传统的对洗衣机的振动位移测量，要求将测量仪器的外壳固定在支架上，用测杆内的一端同外壳相连弹簧让测杆垂直方向紧挨洗衣机的外桶侧面，这种设计方案不能方便测量三轴位移。更重要的是，由于洗衣机本身的机械特性，洗衣机在工作过程中，除了振动外还存在一些扭转的振动信号，这些信号会导致了位移值数字信号波形失真变形，从而影响了洗衣机振动位移数据的真实性，使得所采集的洗衣机的外桶振动数据无法用来控制洗衣机的振动，影响了对洗衣机工作品质的提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种基于MEMS传感器检测洗衣机振动位移数据的方法，是利用MEMS传感器来获取洗衣机的三轴加速度数据，并通过转换和滤波处理，从而得到精度高的振动位移量数据，以用来控制洗衣机运转电机的转速，优化洗涤程序，达得降低洗衣机的工作噪声和提高洗衣工作效率的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于MEMS传感器检测洗衣机振动位移数据的方法，包括如下步骤：

通过MEMS传感器采集洗衣机外桶的三轴加速度数据；

将三轴加速度数据分别通过二次积分转成对应的位移量数据；其中，在转换前还包括采用IIR滤波器滤除预设频率以下信号的数据；

判断洗衣机的电机转速，并根据洗衣机的转速，选择不同IIR滤波器系数和滤波器增益对前一步骤得到的位移量数据进行矫正补偿处理，以消除洗衣机运行过程中存在的各种振动干扰信号，从而得到精度高的振动位移量数据输出。

进一步的，在得到精度高的振动位移量数据后，还包括位移量输出步骤。

进一步的，在通过MEMS传感器采集洗衣机外桶的三轴加速度数据之前，还包括MEMS传感器校正步骤；所述MEMS传感器校正步骤是在MEMS传感器初始化后，通过MEMS传感器采集一定数量的加速度值并取平均作为基准值。

所述的通过MEMS传感器采集洗衣机外桶的三轴加速度数据是通过设置定时器，在设定时间到达时，读取MEMS传感器的三轴加速度数据。

所述的根据洗衣机的转速选择不同IIR滤波器系数和滤波器增益对前一步骤得到的位移量数据进行矫正补偿处理包括：

当洗衣机的转速小于等于设定的转速时，无须对所述的前一步骤得到的位移量数据进行矫正补偿处理，所述前一步骤得到的位移量数据就是精度高的振动位移量数据；

当洗衣机的转速大于设定的转速时，选择与转速对应的IIR滤波器系数和滤波器增益对前一步骤得到的位移量数据进行矫正补偿处理。

所述的将三轴加速度数据分别通过二次积分转成对应的位移量数据，包括如下步骤：

a.将通过MEMS传感器采集的洗衣机外桶的三轴加速度数据扣除MEMS传感器校正步骤所得到的基准值后，得到实际的洗衣机外桶的三轴加速度值；

b.采用IIR滤波器滤掉预设频率以下信号的加速度值；

c.通过对步骤b得到的加速度值进行一次积分得到速度值；

d.通过对步骤c得到的速度值再进行一次积分得到位移值。

所述的位移量输出步骤，包括：

A.判断位移量是否过零点；判断为是，转至步骤E，判断为否，则继续下一步骤；

B.判断新数据是否较大，判断为是，继续下一步骤，判断为否，转至步骤D；

C.更新过零前的最大值；

D.不更新输出数据；而后转至步骤F；

E.更新输出数据为过零前的最大值；

F.输出数据。

本发明的一种基于MEMS传感器检测洗衣机振动位移数据的方法，是预置一个振动位移测量处理模块，振动位移测量处理模块的MCU处理器通过IIC协议从MEMS传感器读取洗衣机外桶的三轴加速度数值，然后通过一个IIR滤波器滤掉预设频率以下的数据信号后积分得到了三轴速度标量值，再对三轴速度标量值进行积分得到了三轴位移量数据，再对洗衣机转速进行判断，针对不同转速采用不同数据滤波器，滤除洗衣机在当前转速下各种异常的振动信号，得到精度高的振动位移量数据，并经MCU处理器串口向洗衣机电脑控制器输出位移值的数字信号波形，以用来控制洗衣机运转电机的转速，优化洗涤程序。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

由于采用了在将三轴加速度数据转成对应的位移量数据前用IIR滤波器滤除预设频率以下信号的数据，然后通过对洗衣机转速的判断，针对不同转速选择不同IIR滤波器系数和滤波器增益对前一步骤得到的位移量数据进行矫正补偿，以消除洗衣机运行过程中存在的各种振动干扰信号(包括扭转产生的振动信号)，从而得到精度高的振动位移量数据，这样，能够方便洗衣机电脑控制器根据发送的振动位移量数据进行判断，在洗衣机的外桶与外壳之间还留有较大空隙的时候加快转速，提高洗衣机的效率，而在洗衣机的外桶与外壳之间处于危险间距的时候及时把转速降下来，避免撞桶。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种基于MEMS传感器检测洗衣机振动位移数据的方法不局限于实施例。

附图说明

图1是使本发明的洗衣机内外桶分布示意图；

图2是本发明的电路原理框图；

图3是本发明的主流程图；

图4是本发明的将三轴加速度数据分别通过二次积分转成对应的初步位移量数据的子流程图；

图5是本发明的位移量输出步骤的子流程图；

图6是0kg负载600g偏心下600转处理前的X轴位移量波形图(单位：mm)；

图7是0kg负载600g偏心下600转处理前的Y轴位移量波形图(单位：mm)；

图8是0kg负载600g偏心下600转处理前的Z轴位移量波形图(单位：mm)；

图9是0kg负载600g偏心下600转处理后的X轴位移量波形图(单位：mm)；

图10是0kg负载600g偏心下600转处理后的Y轴位移量波形图(单位：mm)；

图11是0kg负载600g偏心下600转处理后的Z轴位移量波形图(单位：mm)。

具体实施方式

实施例，

参见图1、图2所示，本发明的一种基于MEMS传感器检测洗衣机振动位移数据的方法，需要先将振动位移测量模块10安装于洗衣机外桶30上，将振动位移测量模块10通讯线与洗衣机电脑控制器20通讯线连接；洗衣机的内桶50套在外桶30内，洗衣机电脑控制器20可装在洗衣机外箱40上。

参见图3所示，本发明的一种基于MEMS传感器检测洗衣机振动位移数据的方法，包括如下步骤：

洗衣机上电时同时给振动位移测量模块10上电；

MCU处理器初始化；如图3中步骤S101所示；

MEMS传感器初始化；如图3中步骤S102所示；

MEMS传感器校正；如图3中步骤S103所示；MEMS传感器校正步骤是在MEMS传感器初始化后，通过MEMS传感器采集一定数量的加速度值并取平均作为基准值；本实施例是采集一定数量(1000组)加速度值取平均作为基准值，完成传感器的校正；以后每次采集到的加速度都扣除此基准值以抵消外界干扰；

启动定时器；如图3中步骤S104所示；

振动位移测量模块10的MCU处理器判断定时器计时是否达到设定时间，如果到则进入数据采集，如果不到则继续计时，本实施例的设定时间为2ms；如图3中步骤S105所示；

通过MEMS传感器采集洗衣机外桶的三轴加速度数据；即，振动位移测量模块的MCU处理器通过I²C协议从MEMS传感器中读取加速度数值；如图3中步骤S106所示；

将三轴加速度数据分别通过二次积分转成对应的初步位移量数据；如图3中步骤S107所示；其中，在转换前还包括采用IIR滤波器滤除预设频率以下信号的数据；本实施例的预设频率为2Hz；该步骤是将采集到的加速度值先通过一个数字滤波器，以过滤除与真实加速度无关的干扰信号值，然后，将得到的加速度值经过一次积分得到速度标量，接着，将加速度值积分后得到的速度再进行一次积分，得到所需的位移值，该位移值为位移量数据；

判断洗衣机的转速，并根据洗衣机的转速，选择不同IIR滤波器系数和滤波器增益对前一步骤得到的位移量数据进行矫正补偿处理，以消除洗衣机运行过程中存在的各种振动干扰信号，从而得到精度高的振动位移量数据输出；如图3中步骤S108所示；由于洗衣机的轴向震动中参杂有扭动，在较高的振动频率下，扭动信号叠加到正常的振动信号中，导致所得到的位移波形产生严重包络波，波形失真；为此引入了第二个数字滤波器，滤除大部分的扭动信号，得到较为平滑的波形；

所述的根据洗衣机的转速选择不同IIR滤波器系数和滤波器增益对前一步骤得到的位移量数据进行矫正补偿处理包括：

当洗衣机的转速小于等于设定的转速时，无须对所述的前一步骤得到的位移量数据进行矫正补偿处理，所述前一步骤得到的位移量数据就是精度高的振动位移量数据；

当洗衣机的转速大于设定的转速时，选择与转速对应的IIR滤波器系数和滤波器增益对前一步骤得到的位移量数据进行矫正补偿处理。

位移量输出步骤；如图3中步骤S109所示；

判断是否向洗衣机电脑控制器输出结果；如图3中步骤S110所示；判断如果是，则继续下一步骤，否则，转至步骤S112；

由振动位移测量模块的MCU处理器的串口输出位移量给洗衣机电脑控制器；如图1中步骤S111所示；

判断是否停止采集；如图1中步骤S112所示；判断如果是，则结束，否则，转至步骤S105。

参见图4所示，本发明的一种基于MEMS传感器检测洗衣机振动位移数据的方法，所述的将三轴加速度数据分别通过二次积分转成对应的初步位移量数据，包括如下步骤：

a.将通过MEMS传感器采集的洗衣机外桶的三轴加速度数据扣除MEMS传感器校正步骤所得到的基准值后，得到实际的洗衣机外桶的三轴加速度值；如图4中步骤S201所示；

b.采用IIR滤波器滤除预设频率以下信号的加速度值；如图4中步骤S202所示；

c.通过对步骤b得到的加速度值进行一次积分得到速度值；如图4中步骤S203所示；

d.通过对步骤c得到的速度值再进行一次积分得到位移值；如图4中步骤S204所示。

参见图5所示，本发明的一种基于MEMS传感器检测洗衣机振动位移数据的方法，所述的位移量输出步骤，包括：

A.判断位移量是否过零点；判断为是，转至步骤E，判断为否，则继续下一步骤；如图5中步骤S301所示；

B.判断新数据是否较大，判断为是，继续下一步骤，判断为否，转至步骤D；如图5中步骤S302所示；

C.更新过零前的最大值；如图5中步骤S303所示；

D.不更新输出数据；而后转至步骤F；如图5中步骤S304所示；

E.更新输出数据为过零前的最大值；如图5中步骤S305所示；

F.输出数据；如图5中步骤S306所示。

本发明的一种基于MEMS传感器检测洗衣机振动位移数据的方法，是预置一个振动位移测量处理模块，振动位移测量处理模块的MCU处理器通过IIC协议从MEMS传感器读取洗衣机外桶的三轴加速度数值，然后通过一个IIR滤波器滤掉预设频率以下的数据信号后积分得到了三轴速度标量值，再对三轴速度标量值进行积分得到了三轴位移量数据，再对洗衣机转速进行判断，针对不同转速采用不同数据滤波器，滤除洗衣机在当前转速下各种异常的振动信号，得到精度高的振动位移量数据，并经MCU处理器串口向洗衣机电脑控制器输出位移值的数字信号波形，以用来控制洗衣机运转电机的转速，优化洗涤程序。

以下对振动位移数据的处理及输出作进一步的说明。

本发明的一种基于MEMS传感器检测洗衣机振动位移数据的方法，MCU采样时间到了以后，通过IIC协议从传感器处取得加速度数值。

由于洗衣机滚筒本身的机械特性以及工作过程中，除了振动外，还存在着绕着机身两端弹簧的扭动。扭动信号叠加到正常的振动信号中导致了振动信号波形的失真变形。并且不同的负载，不同的偏心，不同转速的条件下，波形变形的程度不一样。最严重的情况下，导致三个轴的波形完全失真不可用，如图6、图7、图8所示。同时，由于随着时间的推移，积分过程中累加的误差也变得越来越大，进一步加剧了波形的变形失真。

显然，洗衣机正常的工作过程中，滚筒振动幅度不可能瞬间出现这么剧烈的突变，这样的数据是不准确不可用的。为了消除这些影响，给电脑控制器提供一个更加准确的振幅数据，又引入一个高通或带通数字滤波器，进行工频段选频。由于不同的转速受影响的程度不一样，再将其分为若干档位，根据洗衣机电脑控制器发来的转速信息，选择不同的滤波参数进行计算，减小扭动信号以及积分误差带来的波形失真。

同时，在没有得到洗衣机电脑控制器送来的转速信息的时候，MCU依据洗衣机振动特性的一些关系，粗略计算出当前的转速，并依据此信息继续对得到的位移进行处理，以便在洗衣机发来数据请求的时候更快输出数据，避免临时切换滤波器参数带来的数据断带。

经过以上处理，得到的位移波形有了较大的改善，方便洗衣机电脑控制器根据振动位移测量处理模块发送的数据进行判断，在还留有较大空隙的时候加快转速，提高洗衣机的效率，同时在危险间距的时候及时把转速降下来，避免撞桶。处理过后的波形如下图9、图10、图11所示。

另外，经过与惠而浦公司用专业测量仪器日本小野三维振动仪在同等条件同一位置下测试的数据对比，本产品的误差在0.6-1.0mm左右。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种基于MEMS传感器检测洗衣机振动位移数据的方法，其特征在于：包括如下步骤：

通过MEMS传感器采集洗衣机外桶的三轴加速度数据；

将三轴加速度数据分别通过二次积分转成对应的位移量数据；其中，在转换前还包括采用IIR滤波器滤除预设频率以下信号的数据；

判断洗衣机的电机转速，并根据洗衣机的转速，选择不同IIR滤波器系数和滤波器增益对前一步骤得到的位移量数据进行矫正补偿处理，以消除洗衣机运行过程中存在的各种振动干扰信号，从而得到精度高的振动位移量数据输出；

所述的根据洗衣机的转速选择不同IIR滤波器系数和滤波器增益对前一步骤得到的位移量数据进行矫正补偿处理包括：

当洗衣机的转速小于等于设定的转速时，无须对所述的前一步骤得到的位移量数据进行矫正补偿处理，所述前一步骤得到的位移量数据就是精度高的振动位移量数据；

当洗衣机的转速大于设定的转速时，选择与转速对应的IIR滤波器系数和滤波器增益对前一步骤得到的位移量数据进行矫正补偿处理。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS传感器检测洗衣机振动位移数据的方法，其特征在于：进一步的，在得到精度高的振动位移量数据后，还包括位移量输出步骤。

3.根据权利要求1或2所述的基于MEMS传感器检测洗衣机振动位移数据的方法，其特征在于：进一步的，在通过MEMS传感器采集洗衣机外桶的三轴加速度数据之前，还包括MEMS传感器校正步骤；所述MEMS传感器校正步骤是在MEMS传感器初始化后，通过MEMS传感器采集一定数量的加速度值并取平均作为基准值。

4.根据权利要求1所述的基于MEMS传感器检测洗衣机振动位移数据的方法，其特征在于：所述的通过MEMS传感器采集洗衣机外桶的三轴加速度数据是通过设置定时器，在设定时间到达时，读取MEMS传感器的三轴加速度数据。

5.根据权利要求3所述的基于MEMS传感器检测洗衣机振动位移数据的方法，其特征在于：所述的将三轴加速度数据分别通过二次积分转成对应的位移量数据，包括如下步骤：

a.将通过MEMS传感器采集的洗衣机外桶的三轴加速度数据扣除MEMS传感器校正步骤所得到的基准值后，得到实际的洗衣机外桶的三轴加速度值；

b.采用IIR滤波器滤掉预设频率以下信号的加速度值；

c.通过对步骤b得到的加速度值进行一次积分得到速度值；

d.通过对步骤c得到的速度值再进行一次积分得到位移值。

6.根据权利要求2所述的基于MEMS传感器检测洗衣机振动位移数据的方法，其特征在于：所述的位移量输出步骤，包括：

A.判断位移量是否过零点；判断为是，转至步骤E，判断为否，则继续下一步骤；

B.判断新数据是否较大，判断为是，继续下一步骤，判断为否，转至步骤D；

C.更新过零前的最大值；

D.不更新输出数据；而后转至步骤F；

E.更新输出数据为过零前的最大值；

F.输出数据。