CN108150798A - 一种便携式车载圆锥仪及其使用方法 - Google Patents

一种便携式车载圆锥仪及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种便携式车载圆锥仪及其使用方法，包括一个矩形的底板，底板内板面中心处与一个可磁力吸附在车身上的开关式电磁座铰接，底板内板面的四个角固定设置有四个伸缩杆，底板外板面的一侧与一个驱动电机驱动的便携式圆锥仪的顶端铰接，便携式圆锥仪的中部与一个铰接在底板外板面另一侧的由位移电机驱动的滑动旋转折叠机构铰接，便携式圆锥仪可在滑动旋转折叠机构的作用下绕着自身顶端的铰接处做顺时针90度旋转或逆时针90度旋转，可使便携式圆锥仪在使用时与待测地面垂直，使用后可将便携式圆锥仪收起至与底板平行的位置，本发明利于拆卸，可安装于车辆侧面合适处，可以轻易完成圆锥仪的收放，不影响汽车正常行驶。

Description

一种便携式车载圆锥仪及其使用方法
技术领域
本发明属于汽车地面力学领域，涉及一种便携式车载圆锥仪及其使用方法；
背景技术
圆锥仪，又称圆锥指数仪，圆锥指数仪在过去的几十年里得到了较为快速的发展，从最初通过手持式圆锥指数仪，经过不断地发展，变为电机/液压驱动式，进而演变成多传感器复合式。当前，在车载圆锥仪这一领域，国内研究不多，在国外已有类似车载式圆锥仪，但结构较为复杂，并且多用于军事履带车辆等，不易拆装及移动，不具备广泛使用性。
目前针对于车载式圆锥仪的装置较少，而手持式圆锥仪对操作者有一定的操作要求，在整个过程中很难保证探杆的竖直，在初始阶段也容易造成竖直方向上的误差，同时对于随车使用者较为麻烦，需要离开车辆，在车外完成操作。
发明内容
本发明为了克服现有的圆锥仪的随车性以及便捷性问题，提供了一种更为方便的方式测定出越野车辆行驶的路面的圆锥指数，减少人力操作的不便性以及竖直方向的误差，相较于人力的误差及繁琐的过程，本发明更加便利并更加自动化。
本发明提供了一种便携式车载圆锥仪，采用如下技术方案实现的：
一种便携式车载圆锥仪，安装在车身上使用，其特征在于，包括一个竖直设置的矩形的底板，安装在车身上时底板靠近车身的板面为底板的的内板面，底板中与底板的内板面平行的另一个板面为底板的外板面，底板内板面中心处固定设置有一个球铰装置，球铰装置与一个开关式电磁座铰接，开关式电磁座可通过磁力吸附在车身上，底板的内板面的四个角固定设置有四个带有锁紧螺母的且可沿垂直于矩形底板方向伸缩的伸缩杆，与车身装配时伸缩杆靠近车身的一端支撑在车身上，在开关式电磁座吸附在车身上时可通过伸缩调整四个伸缩杆各自的长度以使底板与待测地面垂直，底板外板面的一侧通过一个固定块与一个由驱动电机驱动的便携式圆锥仪的顶端枢接，便携式圆锥仪的中部与一个铰接在底板外板面另一侧的由位移电机驱动的滑动旋转折叠机构铰接，便携式圆锥仪可在滑动旋转折叠机构的作用下绕着自身顶端与固定块的枢接处做顺时针90度旋转或逆时针90度旋转的动作，可以使便携式圆锥仪在使用时与待测地面垂直，使用后可将便携式圆锥仪收起至相对水平的位置，驱动电机和位移电机的供电电源可使用车内电源或者操作人员自带电源，驱动电机的控制开关和位移电机的控制开关设置在车内。
进一步的技术方案包括：
所述的开关式电磁座通过一个电磁座连接板与球铰装置铰接，球铰装置包括一个U形的球铰支架，球铰支架固定在底板的内板面上，球铰支架内有圆球形的球铰头以及贯穿并固定球铰头的圆柱形球铰柱，球铰柱的直径小于球铰头的直径，电磁座连接板包括一个电磁座连接板底板和一个与电磁座连接板底板垂直的电磁座连接板铰接座，电磁座连接底板与开关式电磁座固定连接，电磁座连接板铰接座上有一个与球铰头的球面配合的通孔，电磁座连接板铰接座通过该通孔与球铰头间隙配合连接形成铰接结构，使电磁座连接板铰接座可以沿球铰头的球面转动。
所述的便携式圆锥仪包括一个直线电机支架，直线电机支架由三个间隔设置且互相平行的正方形板以及串连每个正方形板四个角的四根长直圆柱组成，三个正方形板从上至下分别为顶部正方形板、中部正方形板和底部正方形板，顶部正方形板的下板面固定安装有驱动电机，驱动电机的输出轴与顶部正方形板垂直，驱动电机的输出轴与一根带有外螺纹的电机驱动杆的一端固定连接，中部正方形板上方靠中心处竖直设置一个霍尔传感器，电机驱动杆中部有一段大半径圆柱，在电机驱动杆大半径圆柱外圆柱面镶嵌有一个永磁体，当便携式圆锥仪相对于底板竖直时，保证永磁体与霍尔传感器在同一水平线上，霍尔传感器间隔检测到永磁体一次即为电机驱动杆旋转一周，中部正方形板下方设置有一个圆锥仪支架，圆锥仪支架包括一个正方形的圆锥仪支架底板，圆锥仪支架底板上板面两侧各有一个竖直向上固定设置的圆锥仪支架竖直板，两个圆锥仪支架竖直板通过一个水平设置的中部带有通孔的圆锥仪支架水平板固定连接，圆锥仪支架底板的四个角滑动装配在四根长直圆柱上并且可沿长直圆柱的径向上下移动，圆锥仪支架底板中部有圆形通孔，圆锥仪支架底板的上板面且位于两个圆锥仪竖直板之间固定设置有一个圆柱形的轮辐式压力传感器，圆锥仪支架水平板的下端面与轮辐式压力传感器的上端面之间设置有一个内圈带有内螺纹的驱动螺母，圆锥仪支架水平板下端面和轮辐式压力传感器的上端面将驱动螺母夹紧，以保证驱动螺母不会绕自身轴线自转，只进行沿电机驱动杆的轴向向上或向下运动，圆锥仪支架底板的下板面固定装配有一个空心圆柱，空心圆柱底部有一个可更换的圆锥头，空心圆柱的中空部与驱动螺母的内圈、轮辐式压力传感器以及圆锥仪支架底部正方形板的圆形通孔同轴装配，电机驱动杆的另一端穿过直线电机支架的中部正方形板以及圆锥仪支架水平板的通孔与驱动螺母螺纹连接，且驱动螺母带动便携式圆锥仪向上运动时电机驱动杆可穿过轮辐式压力传感器伸入空心圆柱的中空部，直线电机支架顶部正方形板的上板面上固定设置有一个与连接轴相配合的直线电机支架铰接座，。辐式压力传感器和霍尔传感器的供电电源可使用车内电源或者操作人员自带电源，轮辐式压力传感器和霍尔传感器的信号输出端与操作人员的上位机的信号输入端连接。
所述的固定块为一个矩形板，固定块的四个角通过螺钉固定在底板外板面上，固定块中心有一个圆形阶梯孔，圆形阶梯孔大孔径段为圆形沉孔，圆形阶梯孔小孔径段为通孔，固定块阶梯孔的圆形沉孔内过盈配合安装有一个深沟球轴承，固定块的圆形沉孔的孔深大于深沟球轴承的径向长度，底板上有一个与固定块阶梯孔同轴的圆形通孔，一个连接轴穿过底板上的圆形通孔、深沟球轴承的内圈以及固定块小孔径段然后与直线电机支架顶部的直线电机支架铰接座枢接，连接轴与底板上的圆形通孔间隙配合，连接轴与深沟球轴承的内圈过盈配合。
滑动旋转折叠机构包括一个枢接在底板外板面上的位移电机，位移电机的输出轴与一根圆柱杆状的位移电机杆固定连接，位移电机杆上有外螺纹，一个矩形的活动块中心攻有内螺纹通孔，活动块螺纹连接在位移电机杆上，一个三角形板的三个角沿顺时针分别为三角形板的第一个角、三角形板的第二个角和三角形板的第三个角，三角形板的第一个角与活动块枢接，三角形板的第二个角与一个固定在底板外板面中下部的矩形块枢接，三角形板的第三个角与一个限位杆的一端枢接，限位杆的另一端与直线电机支架的中部正方形板枢接。
伸缩杆靠近车身的一端与一个矩形板状的支撑底座铰接，与车身装配时伸缩杆通过支撑底座支撑在车身上。
所述的圆锥头的头顶角为30°，圆锥头的圆锥投影面积为3.2cm2。
所述的限位杆为一长直矩形体，限位杆的两端分别为限位杆的第一端和限位杆的第二端，限位杆的第一端与三角形板的第三个角枢接，限位杆的第二端与直线电机支架的中部正方形板枢接，限位杆第一端具有限制滑动旋转折叠机构的极限位置，第一端的端面可以与三角形板第二个角和第三个角之间的端面相贴合使三角形板无法继续沿逆时针转动，从而使便携式圆锥仪相对于底板竖直后无法再继续沿顺时针转动，在便携式圆锥仪竖直状态时，定义限位杆朝向地面的平面为下端面，限位杆下端面与第一端面之间通过一个斜面过渡，该斜面两侧具有用于枢接的两个带有通孔的铰接板，当该斜面与三角形板第一个角和第二个角之间的端面相贴合时，即便携式圆锥仪逆时针旋转90°以达到相对水平位置的状态。
本发明还提供了一种便携式车载圆锥仪的使用方法，具体技术方案如下：
一种便携式车载圆锥仪的使用方法，其特征在于，具体步骤如下：
第一步：为保证圆锥指数精度，将车载式圆锥仪装置中的开关式电磁座吸附于汽车侧面车门，通过调整四个端角上的伸缩装置，以及伸缩装置靠车身端的支撑底座使整个装置与汽车侧面车门完全贴合，并在底板的上板面放置水平仪，通过调整水平仪上的气泡平衡以保证底板相对于地面竖直；
第二步：便携式圆锥仪处于相对于地面的水平位置，此时车内操作人员通过设置在车内的位移电机的控制开关控制位移电机驱动位移电机杆，使滑动块相对于位移电机杆径向末端移动，由于滑动块与三角形板枢接，三角形板被带动绕第二个角做逆时针圆周运动，与此同时，限位杆(12)第一端由于与三角形板的第三个角枢接，限位杆第一端做相对于三角形板第三个角为轴心的逆时针圆周运动，并相对于底板向上进行平移运动，限位杆的第二端与直线电机支架枢接，使直线电机支架以连接轴为轴心做顺时针运动，直至便携式圆锥仪旋转至竖直状态，此时限位杆第一段端面与三角形板侧面相贴合，关闭位移电机；
第三步：通过力与位移的关系，得出汽车所在地面的圆锥指数
便携式圆锥仪竖直，此时实验人员通过驱动电机驱动电机驱动杆旋转，被圆锥仪支架水平板和轮辐式压力传感器夹紧的驱动螺母进行沿电机驱动杆径向运动，调整驱动电机的旋向，使驱动螺母做向下等速度运动，此速度正比于驱动电机的转速，通过调整驱动电机转速使驱动螺母竖直向下的速度平稳在0.5cm/s，驱动螺母依次推动轮辐式压力传感器、圆锥仪支架、空心圆柱、圆锥头；
所以圆锥头的位移公式如下：
L＝ns
其中L为驱动螺母沿电机驱动杆轴向方向向下移动的位移即圆锥头插入土壤中深度，n为电机驱动杆旋转的圈数，s为电机驱动杆上外螺纹的导程，由于选用的电机驱动杆的外螺纹不变，所以s为已知量；驱动电机输出轴旋转的圈数n通过霍尔传感器测定电机驱动杆上的永磁体的间隔次数确定，霍尔传感器间隔检测到永磁体一次即为电机驱动杆旋转一周，而圈数n统计的起始点为空心圆锥仪的圆锥头接触地面的时候，即轮辐式压力传感器有突变时；驱动螺母可以依次推动轮辐式压力传感器、空心圆锥仪支架下端的平面，使轮辐式压力传感器和圆锥仪做相同的等速直线运动，当圆锥仪接触地面时，轮辐式压力传感器测量值会有突变，此时为圆锥指数曲线的起始点，当圆锥仪插入地面深度达到9.5英寸或者地面硬度达到汽车行驶通过的最小应力500N时，结束驱动电机向下的驱动，此时测量过程结束，驱动电机反转，驱动螺母向上匀速运动，通过带动圆锥仪支架的水平板，使圆锥仪支架、压力传感器及圆锥仪回升，直至初始位置，此时完整地完成地面圆锥指数的一次测量；
由轮辐式压力传感器测量出圆锥仪未接触地面之前的力F1，以及圆锥仪在地面土壤中受力F2，通过下式计算得出地面反力：
F＝F2-F1
其中F为接地压力，随圆锥仪插入土壤中深度L的变化而变化；圆锥头的参数A已给定，圆锥头以0.5cm/s的速度压入地面，计算圆锥指数的公式为：
其中CI值为圆锥指数，A为圆锥头的圆锥投影面积，F为上式所求接地压力；
第四步：建立直角坐标系，以每次测量得到的CI值作为坐标系纵轴，该次测量的圆锥头的插入深度L作为坐标系横轴，得出圆锥指数CI随圆锥头的插入深度L变化的图像。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.解决了圆锥仪与车辆之间的连接问题，相对于人力控制圆锥仪的测试，随车的圆锥仪更加便于实验人员对车辆行驶路面的圆锥指数进行测量。
2.拥有开关式电磁座，利于拆卸，安装于车辆侧面合适处，通过四个伸缩装置将圆锥仪安装板调至竖直，通过水平仪保证圆锥仪使用时的竖直性。
3.结构方面，由于运动机构可以轻易完成圆锥仪的收放，所以在汽车行驶时可以收起圆锥仪，不影响汽车正常行驶。
4.直线电机控制圆锥仪的伸缩，与手持式相比，圆锥仪的运动过程更加平稳，有利于提高所测的圆锥指数的精度，同时由于直线电机的有效行程可以从100mm至1000mm，有较大的调整空间，利于本发明装置在车辆的侧面布置，同时可以测到足够的深度用于绘制圆锥指数曲线。
附图说明
下面结合附图对本发明作详细的描述：
图1为本发明中所述的便携式圆锥仪相对底板竖直状态的结构示意图。
图2为本发明中所述的便携式圆锥仪相对底板水平状态的结构示意图。
图3为本发明中所述一种便携式车载式圆锥仪装置中圆锥仪支架与驱动螺母、轮辐式压力传感器、空心圆柱、圆锥头的位置关系示意图。
图4为本发明中所述一种便携式车载式圆锥仪与车连接的结构示意图。
图5为本发明中所述一种便携式车载式圆锥仪固定块与底座连接的结构示意图。
图6为本发明中所述滑动旋转折叠机构在便携式圆锥仪相对底板竖直状态时的相对位置示意图。
图7为本发明中所述滑动旋转折叠结构在便携式圆锥仪相对底板水平状态时的相对位置示意图。
图8为本发明中所述便携式车载圆锥仪的结构示意图。
图9为本发明中所述限位杆的结构示意图。
图中：1.伸缩杆，2.锁紧螺母，3.支撑底座，4.固定块，5.直线电机支架，6.连接轴，7.底板，8.驱动电机，9.轮辐式压力传感器，10.空心圆柱，11.电机驱动杆，12.限位杆，13.三角形板，14.位移电机杆，15.位移电机，16.开关式电磁座，17.球铰装置，18.活动快，19.驱动螺母，20.圆锥仪支架，21.深沟球轴承，22.霍尔传感器，23.电磁座连接板，24.圆锥头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
一种便携式车载圆锥仪，安装于车身上使用，其特征在于，包括一个竖直设置的矩形的底板7，安装在车身上时底板7靠近车身的板面为底板的7的内板面，底板7中与底板7的内板面平行的另一个板面为底板7的外板面，底板7内板面中心处固定设置有一个球铰装置17，球铰装置17与底板7通过焊接固定连接，球铰装置17与一个开关式电磁座16铰接，开关式电磁座16可通过磁力吸附在车身上。底板7的内板面的四个角通过螺纹连接固定有四个带有锁紧螺母2且可沿垂直于矩形底板7方向伸缩的伸缩杆1，与车身装配时伸缩杆1靠近车身的一端与一个矩形板状的支撑底座3枢接，通过支撑底座3支撑在车身上，在开关式电磁座6吸附在车身上时可通过伸缩调整四个伸缩杆1各自的长度以使底板7与待测地面垂直。底板7外板面的一侧通过一个固定块4与一个由驱动电机8驱动的便携式圆锥仪的顶端枢接，另一侧靠近端部与位移电机15枢接，底板7外板面中下部有一矩形块，矩形块中心有通孔，矩形块与滑动旋转折叠机构中的三角形板13枢接，便携式圆锥仪的中部与一个铰接在底板7外板面另一侧的由位移电机15驱动的滑动旋转折叠机构枢接，便携式圆锥仪可在滑动旋转折叠机构的作用下绕着自身顶端与固定块4的枢接处做顺时针90度旋转或逆时针90度旋转的动作，可以使便携式圆锥仪在使用时与待测地面垂直，使用后可将便携式圆锥仪收起至相对水平的位置。
所述的开关式电磁座16通过一个电磁座连接板23与球铰装置17铰接，球铰装置17包括一个U形的球铰支架，球铰支架焊接固定在底板7的内板面上，球铰支架内有圆球形的球铰头以及贯穿并固定球铰头的圆柱形的球铰柱，球铰柱的直径小于球铰头的直径，电磁座连接板23包括一个电磁座连接板底板和一个与电磁座连接板底板相垂直的电磁座连接板铰接座，电磁座连接底板与开关式电磁座16通过螺纹固定连接，电磁座连接板铰接座上有一个与球铰头的球面配合的通孔，电磁座连接板铰接座通过该通孔与球铰头间隙配合连接形成铰接结构，使电磁座连接板铰接座可以沿铰接头的球面转动。
所述伸缩杆1上中部套用锁紧螺母2，一端与支撑底座3枢接，另一端通过螺纹固定连接于底板7上。支撑底座3为一矩形平板，一侧通过摩擦作用与车身接合，另一侧有相对于矩形平板垂直的连接板，连接板上有通孔，连接板与伸缩杆一端枢接，使支撑底座3可以绕连接板上的通孔轴线相对转动以保证与车身接合。
所述的便携式圆锥仪包括一个直线电机支架5，直线电机支架5由三个间隔设置且互相平行的正方形板以及串连每个正方形板四个角的四根长直圆柱组成，三个正方形板从上至下分别为顶部正方形板、中部正方形板和底部正方形板，顶部正方形板和中部正方形板与四根长直圆柱焊接固定。四根长直圆柱底部有定长外螺纹，底部正方形板上下板面通过螺母固定。顶部正方形板的下板面固定安装有驱动电机8，驱动电机8的输出轴与顶部正方形板垂直，驱动电机8的输出轴与一根带有外螺纹的电机驱动杆11的一端固定连接，其中电机驱动杆11的杆长可以按需求调整，中部正方形板上方靠中心处竖直设置一个霍尔传感器22，电机驱动杆11中部有一段大半径圆柱，在电机驱动杆11大半径圆柱外圆柱面镶嵌有一个永磁体，当便携式圆锥仪相对于底板7竖直时，保证永磁体与霍尔传感器22在同一水平线上，霍尔传感器22间隔检测到永磁体一次即为电机驱动杆11旋转一周，中部正方形板下方设置有一个圆锥仪支架20，圆锥仪支架20包括一个正方形的圆锥仪支架底板，圆锥仪支架底板上板面两侧有两个竖直向上固定设置的圆锥仪支架竖直板，两个圆锥仪支架竖直板与一个水平设置的中部带有通孔的圆锥仪支架水平板固定连接，圆锥仪支架底板的四个角滑动装配在四根长直圆柱上并且可沿长直圆柱的径向上下运动，圆锥仪支架底板中部有圆形通孔，圆锥仪支架底板的上板面且位于两个圆锥仪竖直板之间固定设置有一个圆柱形的轮辐式压力传感器9，圆锥仪支架水平板下端面与轮辐式压力传感器9上端面之间设置有一个内圈带有内螺纹的驱动螺母19,圆锥仪支架水平板下端面和轮辐式压力传感器9的上端面将驱动螺母夹紧，以保证驱动螺母19不会绕自身轴线自转，只进行沿电机驱动杆11轴向向上或向下运动。圆锥仪支架底板的下板面固定装配有一个空心圆柱10，空心圆柱10底部有一个螺纹固定的可更换的圆锥头24，圆锥头24的头顶角为30°，圆锥投影面积A为3.2cm2，圆锥仪由空心圆柱10和圆锥头24组成。空心圆柱10的中空部依次与圆锥仪支架底部正方形板的圆形通孔、轮辐式压力传感器9、驱动螺母19的内圈同轴装配，电机驱动杆11的另一端穿过直线电机支架5的中部正方形板以及圆锥仪支架水平板通孔与驱动螺母19螺纹连接，且驱动螺母19带动便携式圆锥仪向上运动时，电机驱动杆11可穿过轮辐式压力传感器9伸入空心圆柱10的中空部，直线电机支架5顶部正方形板的上板面上固定设置有一个与连接轴6相配合的直线电机支架铰接座。
所述的固定块4为一个矩形板，固定块4的四个角有四个螺纹孔，通过螺钉固定在底板7外板面上，固定块4中心有一个圆形阶梯孔，圆形阶梯孔大孔径段为圆形沉孔，圆形阶梯孔小孔径段为通孔，固定块4的圆形沉孔内过盈配合安装有一个深沟球轴承21，固定块4的圆形沉孔的孔深大于深沟球轴承21的径向长度，底板7上有一个与固定块4阶梯孔同轴的圆形通孔，通孔孔径大于连接轴6的轴径，一个连接轴6穿过底板7上的圆形通孔、深沟球轴承21的内圈以及固定块4小孔径段然后与直线电机支架5顶部的直线电机支架铰接座枢接，连接轴6与底板7上的圆形通孔间隙配合，连接轴6与深沟球轴承21的内圈过盈配合。
所述的滑动旋转折叠机构包括一个枢接在底板7外板面上螺栓固定连接的位移电机15。位移电机15的输出轴与一根长直圆柱杆状的位移电机杆14固定连接，位移电机杆14上攻有外螺纹，一个矩形的活动块18中心攻有内螺纹通孔，活动块18螺纹连接于位移电机杆14上，并且保证活动块的内侧与底板7外板面贴合，以达到位移电机杆14相对自身旋转时，活动块18相对于位移电机杆径向往复运动。与活动块内螺纹通孔轴线垂直有一竖直圆柱体，与三角形板13上第一个角枢接。一个三角形板13的三个角沿顺时针分别为三角形板13的第一个角、三角形板13的第二个角和三角形板13的第三个角，每个角均有有半径相同的通孔。三角形板13的第一个角上的通孔与活动块18上的竖直圆柱枢接，三角形板13的第二个角上的通孔与一个固定在底板7外板面中下部的矩形块枢接，三角形板13的第三个角上的通孔与一个限位杆12的第一端枢接。当活动块18往复运动时，三角形板13可以以第二个角上的通孔做圆周运动。限位杆12的第二端与直线电机支架5的中部正方形板枢接。
所述的限位杆为一长直矩形体，两端分别为限位杆12的第一端和限位杆12的第二端，每端均有与三角形板13上通孔等大小的通孔。限位杆12上的通孔与三角形板13和直线电机支架5的中部正方形板上的通孔均通过螺栓连接。第一端的端面可以与三角形板13第二个角和第三个角之间的端面相贴合使三角形板13无法继续沿逆时针转动，从而使便携式圆锥仪相对于底板7竖直后无法再继续绕连接轴6做顺时针转动。在便携式圆锥仪竖直状态时，此时定义限位杆12朝向地面的平面为下端面。下端面与第一端面之间通过一个斜面过渡，该斜面两侧具有用于枢接的两个带有通孔的铰接板，当该斜面与三角形板13第一个角和第二个角之间的端面相贴合时，即便携式圆锥仪逆时针旋转90°以达到相对水平位置的状态。
其中深沟球轴承21、螺栓、螺母均为标准件，开关式电磁座16为通用件，所用驱动电机8和位移电机15均为直线电机、型号可以根据具体工作状况选择，这里选取42直线丝杆步进电机。由于所测圆锥指数中压力的变化在1000N以内，所以轮辐式压力传感器9可取量程为0-250kg或定制专用压力传感器。其他部件均为非标准件。两个电机设置启动停止及正向反向运动的开关，汽车内驾驶人员可以完成电机的启停控制。所述轮辐式压力传感器9、霍尔传感器22、驱动电机8、位移电机15及开关式电磁座16的供电电源可以使用车内电源或实验人员自带蓄电池，轮辐式压力传感器9和霍尔传感器22的输出端与操作人员的上位机的信号输入端连接。
本发明所述的一种便携式车载式圆锥仪的使用方法如下：
第一步：为保证圆锥指数精度，将车载式圆锥仪装置中的开关式电磁座16吸附于汽车侧面车门，通过调整四个端角上的伸缩装置1，以及伸缩装置靠车身端的支撑底座3使整个装置与汽车侧面车门完全贴合，并在底板7的上板面放置水平仪，通过调整水平仪上的气泡平衡以保证底板7相对于地面竖直；
第二步：便携式圆锥仪处于相对于地面的水平位置，此时车内操作人员通过设置在车内的位移电机15的控制开关控制位移电机15驱动位移电机杆14，使滑动块18相对于位移电机杆14径向末端移动，由于滑动块18与三角形板13枢接，三角形板13被带动绕第二个角做逆时针圆周运动，与此同时，限位杆12第一端由于与三角形板13第三个角枢接，限位杆12第一端做相对于三角形板13第三个角为轴心的逆时针圆周运动，并相对于底板7向上进行平移运动，限位杆12的第二端与直线电机支架5枢接，使直线电机支架5以连接轴6为轴心做顺时针运动，直至便携式圆锥仪旋转至竖直状态，此时限位杆12第一段端面与三角形板13侧面相贴合，关闭位移电机；
第三步：通过力与位移的关系，得出汽车所在地面的圆锥指数，圆锥指数可以综合地反映土壤机械物理性质，他可以用于表达土壤的可行驶性，这一指数为后续越野车辆在路面通过性的研究中打下基础。
具体测量的工作原理如下，便携式圆锥仪竖直，此时实验人员通过驱动电机8驱动电机驱动杆11旋转，被圆锥仪支架20水平板和轮辐式压力传感器9夹紧的驱动螺母19进行沿电机驱动杆11径向运动，调整驱动电机8的旋向，使驱动螺母19做向下等速度运动，此速度正比于驱动电机8的转速，通过调整驱动电机8转速使驱动螺母19竖直向下的速度平稳在0.5cm/s，驱动螺母19依次推动轮辐式压力传感器9、圆锥仪支架、空心圆柱10、圆锥头24。
所以圆锥头24的位移公式如下：
L＝ns
其中L为驱动螺母19沿电机驱动杆11轴向方向向下移动的位移即圆锥头24插入土壤中深度。n为电机驱动杆11旋转的圈数，s为电机驱动杆11上外螺纹的导程，由于选用的电机驱动杆11的外螺纹不变，且本实施例中选用的电机驱动杆11的外螺纹为单线螺纹，所以电机驱动杆11上外螺纹的导程s为已知量，即电机驱动杆11上外螺纹的导程s等于电机驱动杆11上外螺纹的螺距p；驱动电机8输出轴旋转的圈数n通过霍尔传感器22测定电机驱动杆11上的永磁体的间隔次数确定，霍尔传感器22间隔检测到永磁体一次即为电机驱动杆11旋转一周，而圈数n统计的起始点为空心圆锥仪10的圆锥头24接触地面的时候，即轮辐式压力传感器9有突变时；驱动螺母19可以依次推动轮辐式压力传感器9、空心圆锥仪支架20下端的平面，使轮辐式压力传感器9和圆锥仪做相同的等速直线运动，当圆锥仪接触地面时，轮辐式压力传感器9测量值会有突变，此时为圆锥指数曲线的起始点，当圆锥仪插入地面深度达到9.5英寸或者地面硬度达到汽车行驶通过的最小应力500N时，结束驱动电机8向下的驱动，此时测量过程结束。驱动电机8反转，驱动螺母13向上匀速运动，通过带动圆锥仪支架20的水平板，使圆锥仪支架20、压力传感器9及圆锥仪回升，直至初始位置。此时完整地完成地面圆锥指数的一次测量；
由轮辐式压力传感器9测量出圆锥仪未接触地面之前的力F1，以及圆锥仪在地面土壤中受力F2,通过下式计算得出地面反力：
F＝F2-F1
其中F为接地压力，随圆锥仪插入土壤中深度L的变化而变化；圆锥头24参数已给定，圆锥头24以0.5cm/s的速度压入地面，计算圆锥指数的公式为：
其中CI值为圆锥指数，A为圆锥头24的圆锥投影面积，F为上式所求接地压力。
第四步：建立直角坐标系，以每次测量得到的CI值作为坐标系纵轴，该次测量的圆锥头24的插入深度L作为坐标系横轴，得出圆锥指数CI随圆锥头24的插入深度L变化的图像。

Claims (9)

1.一种便携式车载圆锥仪，安装在车身上使用，其特征在于，包括一个竖直设置的矩形的底板(7)，安装在车身上时底板(7)靠近车身的板面为底板的(7)的内板面，底板(7)中与底板(7)的内板面平行的另一个板面为底板(7)的外板面，底板(7)内板面中心处固定设置有一个球铰装置(17)，球铰装置(17)与一个开关式电磁座(16)铰接，开关式电磁座(16)可通过磁力吸附在车身上，底板(7)的内板面的四个角固定设置有四个带有锁紧螺母(2)的且可沿垂直于矩形底板(7)方向伸缩的伸缩杆(1)，与车身装配时伸缩杆(1)靠近车身的一端支撑在车身上，在开关式电磁座(16)吸附在车身上时可通过伸缩调整四个伸缩杆(1)各自的长度以使底板(7)与待测地面垂直，底板(7)外板面的一侧通过一个固定块(4)与一个由驱动电机(8)驱动的便携式圆锥仪的顶端枢接，便携式圆锥仪的中部与一个铰接在底板(7)外板面另一侧的由位移电机(15)驱动的滑动旋转折叠机构铰接，便携式圆锥仪可在滑动旋转折叠机构的作用下绕着自身顶端与固定块(4)的枢接处做顺时针90度旋转或逆时针90度旋转的动作，可以使便携式圆锥仪在使用时与待测地面垂直，使用后可将便携式圆锥仪收起至相对水平的位置，驱动电机(8)和位移电机(15)的供电电源可使用车内电源或者操作人员自带电源，驱动电机(8)的控制开关和位移电机(15)的控制开关设置在车内。
2.根据权利要求1所述的一种便携式车载圆锥仪，其特征在于，所述的开关式电磁座(16)通过一个电磁座连接板(23)与球铰装置(17)铰接，球铰装置(17)包括一个U形的球铰支架，球铰支架固定在底板(7)的内板面上，球铰支架内有圆球形的球铰头以及贯穿并固定球铰头的圆柱形球铰柱，球铰柱的直径小于球铰头的直径，电磁座连接板(23)包括一个电磁座连接板底板和一个与电磁座连接板底板垂直的电磁座连接板铰接座，电磁座连接底板与开关式电磁座(16)固定连接，电磁座连接板铰接座上有一个与球铰头的球面配合的通孔，电磁座连接板铰接座通过该通孔与球铰头间隙配合连接形成铰接结构，使电磁座连接板铰接座可以沿球铰头的球面转动。
3.根据权利要求1所述的一种便携式车载圆锥仪，其特征在于，所述的便携式圆锥仪包括一个直线电机支架(5)，直线电机支架(5)由三个间隔设置且互相平行的正方形板以及串连每个正方形板四个角的四根长直圆柱组成，三个正方形板从上至下分别为顶部正方形板、中部正方形板和底部正方形板，顶部正方形板的下板面固定安装有驱动电机(8)，驱动电机(8)的输出轴与顶部正方形板垂直，驱动电机(8)的输出轴与一根带有外螺纹的电机驱动杆(11)的一端固定连接，中部正方形板上方靠中心处竖直设置一个霍尔传感器(22)，电机驱动杆(11)中部有一段大半径圆柱，在电机驱动杆(11)大半径圆柱外圆柱面镶嵌有一个永磁体，当便携式圆锥仪相对于底板(7)竖直时，保证永磁体与霍尔传感器(22)在同一水平线上，霍尔传感器(22)间隔检测到永磁体一次即为电机驱动杆(11)旋转一周，中部正方形板下方设置有一个圆锥仪支架(20)，圆锥仪支架(20)包括一个正方形的圆锥仪支架底板，圆锥仪支架底板上板面两侧各有一个竖直向上固定设置的圆锥仪支架竖直板，两个圆锥仪支架竖直板通过一个水平设置的中部带有通孔的圆锥仪支架水平板固定连接，圆锥仪支架底板的四个角滑动装配在四根长直圆柱上并且可沿长直圆柱的径向上下移动，圆锥仪支架底板中部有圆形通孔，圆锥仪支架底板的上板面且位于两个圆锥仪竖直板之间固定设置有一个圆柱形的轮辐式压力传感器(9)，圆锥仪支架水平板的下端面与轮辐式压力传感器(9)的上端面之间设置有一个内圈带有内螺纹的驱动螺母(19)，圆锥仪支架水平板下端面和轮辐式压力传感器(9)的上端面将驱动螺母(19)夹紧，以保证驱动螺母(19)不会绕自身轴线自转，只进行沿电机驱动杆(11)的轴向向上或向下运动，圆锥仪支架底板的下板面固定装配有一个空心圆柱(10)，空心圆柱(10)底部有一个可更换的圆锥头，空心圆柱(10)的中空部与驱动螺母(19)的内圈、轮辐式压力传感器(9)以及圆锥仪支架底部正方形板的圆形通孔同轴装配，电机驱动杆(11)的另一端穿过直线电机支架(5)的中部正方形板以及圆锥仪支架水平板的通孔与驱动螺母(19)螺纹连接，且驱动螺母(19)带动便携式圆锥仪向上运动时电机驱动杆(11)可穿过轮辐式压力传感器(9)伸入空心圆柱(10)的中空部，直线电机支架(5)顶部正方形板的上板面上固定设置有一个与连接轴(6)相配合的直线电机支架铰接座，。辐式压力传感器(9)和霍尔传感器(22)的供电电源可使用车内电源或者操作人员自带电源，轮辐式压力传感器(9)和霍尔传感器(22)的信号输出端与操作人员的上位机的信号输入端连接。
4.根据权利要求3所述的一种便携式车载圆锥仪，其特征在于，所述的固定块(4)为一个矩形板，固定块(4)的四个角通过螺钉固定在底板(7)外板面上，固定块(4)中心有一个圆形阶梯孔，圆形阶梯孔大孔径段为圆形沉孔，圆形阶梯孔小孔径段为通孔，固定块(4)阶梯孔的圆形沉孔内过盈配合安装有一个深沟球轴承(21)，固定块(4)的圆形沉孔的孔深大于深沟球轴承(21)的径向长度，底板(7)上有一个与固定块(4)阶梯孔同轴的圆形通孔，一个连接轴(6)穿过底板(7)上的圆形通孔、深沟球轴承(21)的内圈以及固定块(4)小孔径段然后与直线电机支架(5)顶部的直线电机支架铰接座枢接，连接轴(6)与底板(7)上的圆形通孔间隙配合，连接轴(6)与深沟球轴承(21)的内圈过盈配合。
5.根据权利要求3所述的一种便携式车载圆锥仪，其特征在于，滑动旋转折叠机构包括一个枢接在底板(7)外板面上的位移电机(15)，位移电机(15)的输出轴与一根圆柱杆状的位移电机杆(14)固定连接，位移电机杆(14)上有外螺纹，一个矩形的活动块(18)中心攻有内螺纹通孔，活动块(18)螺纹连接在位移电机杆(14)上，一个三角形板(13)的三个角沿顺时针分别为三角形板(13)的第一个角、三角形板(13)的第二个角和三角形板(13)的第三个角，三角形板(13)的第一个角与活动块(18)枢接，三角形板(13)的第二个角与一个固定在底板(7)外板面中下部的矩形块枢接，三角形板(13)的第三个角与一个限位杆(12)的一端枢接，限位杆(12)的另一端与直线电机支架(5)的中部正方形板枢接。
6.根据权利要求1所述的一种便携式车载圆锥仪，其特征在于，伸缩杆(1)靠近车身的一端与一个矩形板状的支撑底座(3)铰接，与车身装配时伸缩杆(1)通过支撑底座(3)支撑在车身上。
7.根据权利要求3所述的一种便携式车载圆锥仪，其特征在于，所述的圆锥头(24)的头顶角为30°，圆锥头(24)的圆锥投影面积为3.2cm2。
8.根据权利要求5所述的一种便携式车载圆锥仪，其特征在于，所述的限位杆(12)为一长直矩形体，限位杆(12)的两端分别为限位杆(12)的第一端和限位杆(12)的第二端，限位杆(12)的第一端与三角形板(13)的第三个角枢接，限位杆(12)的第二端与直线电机支架(5)的中部正方形板枢接，限位杆(12)第一端具有限制滑动旋转折叠机构的极限位置，第一端的端面可以与三角形板(13)第二个角和第三个角之间的端面相贴合使三角形板(13)无法继续沿逆时针转动，从而使便携式圆锥仪相对于底板(7)竖直后无法再继续沿顺时针转动，在便携式圆锥仪竖直状态时，定义限位杆(12)朝向地面的平面为下端面，限位杆(12)下端面与第一端面之间通过一个斜面过渡，该斜面两侧具有用于枢接的两个带有通孔的铰接板，当该斜面与三角形板(13)第一个角和第二个角之间的端面相贴合时，即便携式圆锥仪逆时针旋转90°以达到相对水平位置的状态。
9.一种便携式车载圆锥仪的使用方法，其特征在于，具体步骤如下：
第一步：为保证圆锥指数精度，将车载式圆锥仪装置中的开关式电磁座(16)吸附于汽车侧面车门，通过调整四个端角上的伸缩装置(1)，以及伸缩装置靠车身端的支撑底座(3)使整个装置与汽车侧面车门完全贴合，并在底板(7)的上板面放置水平仪，通过调整水平仪上的气泡平衡以保证底板(7)相对于地面竖直；
第二步：便携式圆锥仪处于相对于地面的水平位置，此时车内操作人员通过设置在车内的位移电机(15)的控制开关控制位移电机(15)驱动位移电机杆(14)，使滑动块(18)相对于位移电机杆(14)径向末端移动，由于滑动块(18)与三角形板(13)枢接，三角形板(13)被带动绕第二个角做逆时针圆周运动，与此同时，限位杆(12)第一端由于与三角形板(13)的第三个角枢接，限位杆(12)第一端做相对于三角形板(13)第三个角为轴心的逆时针圆周运动，并相对于底板(7)向上进行平移运动，限位杆(12)的第二端与直线电机支架(5)枢接，使直线电机支架(5)以连接轴(6)为轴心做顺时针运动，直至便携式圆锥仪旋转至竖直状态，此时限位杆(12)第一段端面与三角形板(13)侧面相贴合，关闭位移电机；
第三步：通过力与位移的关系，得出汽车所在地面的圆锥指数
便携式圆锥仪竖直，此时实验人员通过驱动电机(8)驱动电机驱动杆(11)旋转，被圆锥仪支架(20)水平板和轮辐式压力传感器(9)夹紧的驱动螺母(19)进行沿电机驱动杆(11)径向运动，调整驱动电机(8)的旋向，使驱动螺母(19)做向下等速度运动，此速度正比于驱动电机(8)的转速，通过调整驱动电机(8)转速使驱动螺母(19)竖直向下的速度平稳在0.5cm/s，驱动螺母(19)依次推动轮辐式压力传感器(9)、圆锥仪支架、空心圆柱(10)、圆锥头(24)；
所以圆锥头(24)的位移公式如下：
L＝ns
其中L为驱动螺母(19)沿电机驱动杆(11)轴向方向向下移动的位移即圆锥头(24)插入土壤中深度，n为电机驱动杆(11)旋转的圈数，s为电机驱动杆(11)上外螺纹的导程，由于选用的电机驱动杆(11)的外螺纹不变，所以s为已知量；驱动电机(8)输出轴旋转的圈数n通过霍尔传感器(22)测定电机驱动杆(11)上的永磁体的间隔次数确定，霍尔传感器(22)间隔检测到永磁体一次即为电机驱动杆(11)旋转一周，而圈数n统计的起始点为空心圆锥仪(10)的圆锥头(24)接触地面的时候，即轮辐式压力传感器(9)有突变时；驱动螺母(19)可以依次推动轮辐式压力传感器(9)、空心圆锥仪支架(20)下端的平面，使轮辐式压力传感器(9)和圆锥仪做相同的等速直线运动，当圆锥仪接触地面时，轮辐式压力传感器(9)测量值会有突变，此时为圆锥指数曲线的起始点，当圆锥仪插入地面深度达到9.5英寸或者地面硬度达到汽车行驶通过的最小应力500N时，结束驱动电机(8)向下的驱动，此时测量过程结束，驱动电机(8)反转，驱动螺母(13)向上匀速运动，通过带动圆锥仪支架(20)的水平板，使圆锥仪支架(20)、压力传感器(9)及圆锥仪回升，直至初始位置，此时完整地完成地面圆锥指数的一次测量；
由轮辐式压力传感器(9)测量出圆锥仪未接触地面之前的力F1，以及圆锥仪在地面土壤中受力F2，通过下式计算得出地面反力：
F＝F2-F1
其中F为接地压力，随圆锥仪插入土壤中深度L的变化而变化；圆锥头(24)的参数A已给定，圆锥头24以0.5cm/s的速度压入地面，计算圆锥指数的公式为：
其中CI值为圆锥指数，A为圆锥头(24)的圆锥投影面积，F为上式所求接地压力；
第四步：建立直角坐标系，以每次测量得到的CI值作为坐标系纵轴，该次测量的圆锥头(24)的插入深度L作为坐标系横轴，得出圆锥指数CI随圆锥头(24)的插入深度L变化的图像。
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