CN109238273A - 一种过山车运动状态监测方法和装置 - Google Patents

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徐玉峰
许振丰
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Abstract

本发明涉及一种过山车运动状态监测方法及装置，属于过山车技术领域，方法包括，监测过山车运动状态数据，构建过山车运营状态模型；由过山车设计模型和以往过山车正常运行状态的监测历史数据，建立状态监测对比模型；设定过山车运行状态阈值，对比当次的过山车运营状态模型和状态监测对比模型，判断过山车正常运营过程中是否处于异常状态及异常状态发生位置。本发明解决了过山车运动状态实时监测手段匮乏的问题，提高过山车运动状态的监测能力，丰富了过山车运动状态监测的效果。

Description

一种过山车运动状态监测方法和装置
技术领域
本发明涉及过山车技术领域，尤其是一种过山车运动状态监测方法和装置。
背景技术
过山车是大型游乐设施中的典型设备，当前国内的过山车测试系统主要集中在过山车提升机构运行是否正常、提升链条有误损伤等方面，缺少过山车整体运行状态的实时监测的有效手段，这给过山车的安全运行带来了很大安全隐患。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种过山车运动状态监测方法和装置，监测过山车的运动状态，发现异常，降低过山车安全隐患。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种过山车运动状态监测方法，包括：
监测过山车运动状态数据，构建过山车运营状态模型，得到过山车运营过程中各位置运动状态测量值；
由过山车设计模型和以往过山车正常运行状态的监测历史数据，建立状态监测对比模型，确定过山车运营过程中各位置运动状态期望值；
设定过山车运行状态阈值，对比过山车运营过程中各位置运动状态测量值和各位置运动状态期望值，判断过山车正常运营过程中是否处于异常状态及异常状态发生位置。
进一步地，所述过山车运营状态模型的建立过程包括，
步骤S201、以过山车车体为参考，获取过山车运营过程中车体的实时加速度和角速度数据；
步骤S202、根据测量获得的实时加速度和角速度数据，解算获得以地球为参考的过山车车体实时空间位置坐标空间姿态车体运动速度和车体运动加速度其中n表示过山车运行过程中测量位置序号；
步骤S203、由测量和解算结果构建过山车运营状态模型。
进一步地，所述过山车运营状态模型为：
式中，各参数均为以地球为参考系计算获得，i表示过山车第i次运行，即该模型为第i次运行后获得过山车运动状态模型；
x,y,z为车体运行中坐标；
为车体在(x,y,z)坐标点俯仰角度；
为车体在(x,y,z)坐标点滚动角度；
为车体在(x,y,z)坐标点航向角度；
为车体在(x,y,z)坐标点X轴向速度；
为车体在(x,y,z)坐标点Y轴向速度；
为车体在(x,y,z)坐标点Z轴向速度；
为车体在(x,y,z)坐标点X轴向加速度；
为车体在(x,y,z)坐标点Y轴向加速度；
为车体在(x,y,z)坐标点Z轴向加速度。
进一步地，过山车运营过程中各位置运动状态期望值：
式中，statusD为过山车设计模型中各位置运动状态的理论值；
status1 n,…,statusm n为过山车运营过程中记录的m次正常运营的运动状态测量值。
进一步地，过山车正常运营过程中是否处于异常状态的判断条件为||exp ectn|-|statusi n||≤|Thresholdset|；式中，exp ectn为过山车运营过程中各位置运动状态期望值；statusi n为当次的过山车运营状态运动状态测量值；
Thresholdset为设定的过山车运行状态阈值。
一种过山车运动状态监测装置，包括运动状态监测模块、运动状态期望值生成模块和异常判断模块；
所述运动状态监测模块，固定在过山车车体上，用于监测过山车在运营过程中车体的实时加速度和角速度数据，解算过山车车体实时空间位置坐标、空间姿态、车体运动速度和车体运动加速度，以构建过山车运营状态模型；
所述运动状态期望值生成模块，与所述运动状态监测模块连接，用于接收过山车运营的监测历史数据，并根据以往过山车正常运行状态的监测历史数据与过山车设计模型建立状态监测对比模型，确定过山车运营过程中各位置运动状态期望值；
所述异常判断模块，与所述运动状态监测模块和所述运动状态期望值生成模块分别连接，用于根据设定过山车运行状态阈值，对比当次的过山车运营状态模型和状态监测对比模型，判断过山车正常运营过程中是否处于异常状态及异常状态发生位置。
进一步地，所述运动状态监测模块包括运动感应测量组件、电池仓组件、电缆和基座；
所述运动感应测量组件，用于测量过山车的三轴加速度、俯仰轴、滚动轴和航向轴角速度，解算过山车车体实时空间位置坐标、空间姿态、车体运动速度和车体运动加速度，以构建过山车运营状态模型；
所述电池仓组件内部包括电池，用于给所述运动感应测量组件供电；
所述电池仓组件和所述运动感应测量组件通过电缆连接；
所述运动感应测量组件和电池仓组件分别固定在所述基座上，并通过所述基座安装在过山车的车体上。
进一步地，所述运动感应测量组件，包括运动姿态传感器、信号处理器、数据存储单元和通信单元；
所述运动姿态传感器，用于测量过山车的三轴加速度、俯仰轴、滚动轴和航向轴角速度；
所述信号处理器与所述运动姿态传感器连接，用于读取运动姿态传感器输出测量结果；并依据四元数法姿态算法解算过山车车体实时空间位置坐标、空间姿态、车体运动速度和车体运动加速度；
所述数据存储单元与所述信号处理器连接，用于存储运动姿态传感器测量数据、过山车运动姿态解算过程数据和结果数据；
所述通信单元，用于与运动状态期望值生成模块和异常判断模块建立通信连接。
进一步地，所述数据存储单元包括非易失性存储器、静态随机存储器和带电可擦可编程只读存储器；
所述非易失性存储器，用于存储过山车运营的监测历史数据；
所述静态随机存储器，用于为当前次运营过程中获得的X/Y/Z三轴加速度和俯仰轴、滚动轴和航向轴角速度数据，及解算过程中产生的中间变量进行缓存；
所述带电可擦可编程只读存储器，用于存储所述运动感应测量组件正常运行所需设置的相关参数。
进一步地，所述通信单元包括有线通信单元和无线通信单元。
本发明有益效果如下：
通过获取运营过程中过山车车体实时X/Y/Z三轴加速度，俯仰轴、滚动轴和航向轴角速度，车体实时空间位置坐标、空间姿态和运动速度，确定过山车运营过程中是否处于异常状态及异常状态发生位置；以解决过山车运动状态实时监测手段匮乏的问题，提高过山车运动状态的监测能力，丰富了过山车运动状态监测的效果。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例中的过山车运动状态监测方法流程图；
图2为本发明实施例中的过山车运营状态模型建立过程流程图；
图3为本发明实施例中的过山车运动状态监测装置组成连接示意图；
图4为本发明实施例中的运动状态监测模块组成连接示意图；
图5为本发明实施例中的所述运动感应测量组件组成连接示意图；
图6为本发明实施例中的运动状态和姿态解算流程图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本发明实施例公开了一种过山车运动状态监测方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤S101、监测过山车运动状态数据，构建过山车运营状态模型，得到过山车运营过程中各位置运动状态测量值；
步骤S102、由过山车设计模型和以往过山车正常运行状态的监测历史数据，建立状态监测对比模型，确定过山车运营过程中各位置运动状态期望值；
步骤S103、设定过山车运行状态阈值，对比过山车运营过程中各位置运动状态测量值和各位置运动状态期望值，判断过山车正常运营过程中是否处于异常状态及异常状态发生位置。
具体的，在步骤S101中，过山车运营状态模型的建立过程，如图2所示，包括以下步骤：
步骤S201、以过山车车体为参考，获取过山车运营中车体的实时加速度和角速度数据；
其中实时加速度数据为X/Y/Z三轴加速度和
角速度数据为俯仰轴、滚动轴和航向轴角速度数据和
n表示过山车运行过程中测量位置序号。即第n次测量结果。
可选的，车体的实时加速度和角速度数据的获取可通过安装在过山车车体的捷联式惯性测量部件获得。
步骤S202、根据测量获得实时加速度和角速度数据，解算获得以地球为参考的过山车车体实时空间位置坐标空间姿态车体运动速度和车体运动加速度
具体的，在本实施例中，以实时测量的X/Y/Z三轴加速度和以及俯仰轴、滚动轴和航向轴角速度和为输入，采用四元数法姿态算法进行解算，获得以地球为参考的过山车车体实时空间位置坐标空间姿态车体运动速度和车体运动加速度
步骤S203、由测量和解算结果构建过山车运动状态模型。
具体的，建立的过山车运营状态模型为：
式中，各参数均为以地球为参考系计算获得，i表示过山车第i次运行，即该模型为第i次运行后获得过山车运动状态模型；
x,y,z为车体运行中坐标；
为车体在(x,y,z)坐标点俯仰角度；
为车体在(x,y,z)坐标点滚动角度；
为车体在(x,y,z)坐标点航向角度；
为车体在(x,y,z)坐标点X轴向速度；
为车体在(x,y,z)坐标点Y轴向速度；
为车体在(x,y,z)坐标点Z轴向速度；
为车体在(x,y,z)坐标点X轴向加速度；
为车体在(x，y，z)坐标点Y轴向加速度；
为车体在(x,y,z)坐标点Z轴向加速度。
具体的，步骤S102中，过山车运营过程中各位置运动状态期望值是通过由过山车设计模型和以往过山车正常运行状态的监测历史数据建立的状态监测对比模型获得的；
过山车运营过程中各位置运动状态期望值：
式中，statusD为过山车设计模型中各位置运动状态理论值，各位置运动状态理论值与过山车运营状态模型中的运动状态测量值相对应；
status1 n,…,statusm n为记录的m次监测过山车正常运营过程中过山车运营状态模型中记录的运动状态测量值。
可选的，m≤20；即对比模型构建中仅最多包含最近20次过山车运动状态模型记录的数据。
具体的，在步骤S103中，当次的过山车运营状态模型和状态监测对比模型为||expectn|-|statusi n||；其中，exp ectn为过山车运营过程中各位置运动状态期望值；statusi n为当次过山车运营过程中运动状态测量值；
设定过山车运行状态阈值|Thresholdset|，当||exp ectn|-|statusi n||≤|Thresholdset|时，即满足过山车正常运营过程中处于异常状态的判断条件时，判断过山车正常运营过程中处于异常状态；过山车运行过程中测量位置序号n对应的位置，即为异常状态发生位置。
本实施例还公开了一种过山车运动状态监测装置，如图3所示，包括运动状态监测模块、运动状态期望值生成模块和异常判断模块；
其中，运动状态监测模块，固定安装在过山车车体上，用于监测过山车在运营过程中车体的实时加速度和角速度数据，解算过山车车体实时空间位置坐标、空间姿态、车体运动速度和车体运动加速度，以构建过山车运营状态模型；
运动状态期望值生成模块，与所述运动状态监测模块连接，用于接收过山车运营的监测历史数据，并根据以往过山车正常运行状态的监测历史数据与过山车设计模型建立状态监测对比模型，确定过山车运营过程中各位置运动状态期望值；
异常判断模块，与所述运动状态监测模块和所述运动状态期望值生成模块分别连接，用于根据设定过山车运行状态阈值，对比当次的过山车运营状态模型和状态监测对比模型，判断过山车正常运营过程中是否处于异常状态及异常状态发生位置。
具体的，如图4所示，运动状态监测模块包括运动感应测量组件、电池仓组件、电缆和基座；
所述运动感应测量组件，用于测量过山车的三轴加速度、俯仰轴、滚动轴和航向轴角速度，解算过山车车体实时空间位置坐标、空间姿态、车体运动速度和车体运动加速度，以构建过山车运营状态模型；
所述电池仓组件内部包括电池，用于给所述运动感应测量组件供电；
所述电池仓组件和所述运动感应测量组件通过电缆连接；
所述运动感应测量组件和电池仓组件分别固定在所述基座上，并通过所述基座安装在过山车的车体上。
如图5所示，所述运动感应测量组件，包括运动姿态传感器、信号处理器、数据存储单元、通信单元和电源单元；
具体的，运动姿态传感器采用捷联式惯性测量单元ADIS16475-2，包括一个三轴加速度计和一个三轴陀螺仪，可以测量过山车的X/Y/Z三轴加速度和俯仰轴、滚动轴和航向轴角速度；
所述运动姿态传感器X/Y/Z三轴加速度测量范围为±8g，俯仰轴、滚动轴和航向轴角速度测量范围为±500°/sec；运动姿态传感器将测量过山车的X/Y/Z三轴加速度和俯仰轴、滚动轴和航向轴角速度模拟量转化为数字格式并输出，输出频率为1000Hz；
所述信号处理器采用嵌入式微处理器MSP430，信号处理模块与运动姿态传感器之间采用SPI通讯，用于控制运动姿态传感器和读取运动姿态传感器输出测量结果；
图6为过山车运动状态监测装置运动状态和姿态解算流程图，如图6所示，信号处理器在过山车运营过程中以2ms间隔由运动姿态传感器获取测量结果，并根据运行过程中检测X/Y/Z三轴加速度和俯仰轴、滚动轴和航向轴角速度数据，依据四元数法姿态解算算法，解算过山车运动轨迹和运动状态；
本实施例中，所述信号处理模块运动轨迹和运动状态解算结果输出频率为50Hz，即每完成十次测量结果获取和解算，仅取用第十次获取和解算结果；
可选的，本实施例中，依据四元数法姿态解算算法所述信号处理模块姿态计算速测结果范围为0～200km/hr，速度解算精度为1km/hr，过山车车体空间姿态精度为±1°，轨迹测量即运行轨迹中各解算点位置精度不大于过山车运行行程的1％；
所述信号处理器将获取运动姿态传感器测量数据和过山车运动姿态解算过程数据和结果数据存储在所处数据存储模块中；
所述数据存储单元包括非易失性存储器、静态随机存储器和带电可擦可编程只读存储器；
特殊的，所述非易失性存储器采用W25M02GV,存储器容量大小为256M x 8bit，在过山车每日运营不多于120次，单次运营时间3～5分钟情况下，可满足至少两日内连续监测解算不被覆盖；
本实施例中，所述静态随机存储器采用CY7C1051DV33，存储器容量大小为512K*16bit，负责为单次运营过程中获得的X/Y/Z三轴加速度和俯仰轴、滚动轴和航向轴角速度数据，及解算过程中产生的中间变量进行缓存；
本实施例中，所述带电可擦可编程只读存储器采用AT24C512C，存储器容量大小为512Kbit，负责记录运动感应测量组件中运动姿态传感器和信号处理器正常运行所需设置的相关参数。
所述通信单元包括有线通信单元和无线通信单元；其中有线通信单元为USB通信单元；无线通信单元为WIFI通信单元
通信单元负责将所述数据存储模块中存储数据通过有线USB或无线WIFI方式传输到运动状态期望值生成模块和异常判断模块；
可选的，通信单元可实时传输测量和解算结果；也可以在过山车单次运营过程中存储在过山车运动状态监测装置中，并在过山车完成当次运营后通过有线或无线方式传输测量和解算结果。
所述电源单元负责管理电池仓组件中电池的充放电工作，并将所述电池模块中的电能转换后为运动感应测量组件进行供电。
并且，运动姿态传感器、信号处理器、数据存储单元、通信单元和电源单元都统一安装在运动感应测量组件的壳体内，壳体对以上部件起到支撑、安装和容纳作用，并且为了满足过山车运行对壳体强度和重量的需求，壳体的材质选用钛合金材料；并在壳体上设置有USB接口、WIFI天线接口ANT和电源输入插座POWER IN。
为了满足过山车运行安全性要求和更换电池便利性要求，本实施例的供电电源采用可充电锂电池；
所述锂电池安装在电池仓组件内部，所述电池仓组件的壳体与运动感应测量组件的壳体采用相同材质的钛合金材料，在壳体上设置电源输出插座POWER OUT，用于输出电压。
运动感应测量组件壳体上的电源输入插座与电池仓组件壳体上的电源输出插座，通过电缆连接，使可充电锂电池能够将电源输出到运动感应测量组件的电源单元，给运动感应测量组件供电。
特殊的，为满足过山车运行的高动态要求，所述电缆的两端为航空插头，所述运动感应测量组件壳体上的电源输入插座和所述电池仓组件壳体上的电源输出插座为航空插座。
本实施例的基座用于固定安装运动感应测量组件和电池仓组件，并通过基座将过山车运动状态监测装置安装在过山车的车体上。
安装基座呈矩形形态，基座四边每边均匀分布三个安装孔，使用螺栓、平垫圈、弹簧垫圈、左旋螺母和右旋螺母通过12个安装孔与过山车车体进行稳固连接；电池仓结构和感应测量装置结构各自通过20个连接点安装于基座结构之上，基座连接孔为M8内螺纹孔，结构与基座通过涂有螺纹胶的防松螺栓进行连接；安装基座与车体之间连接点、电池仓与结构安装基座之间连接点、感应测量装置结构与安装基座之间连接点均可满足过山车运行中最大8g载荷要求。
可选的，运动状态期望值生成模块和异常判断模块安装在过山车外部。
运动状态期望值生成模块，根据自运动状态监测模块获得的多次记录的过山车运动状态数据和过山车设计模型构建状态监测对比模型，模型得到过山车正常运营过程中各时刻运动状态期望值。
异常判断模块，获取到能够反映过山车当前运行的当次过山车运营状态模型，以及，能够反映过山车正常运行的状态监测对比模型之后，就可以通过比对两模型之间差值是否满足预设条件，来确定过山车运行状态是否处于正常运行状态，及定位过山车运动状态异常产生的具体位置。其中，上述预设条件具体可以根据用户的需求，以及，具体的目标运动状态来设置。
因此整体来看，本实施例的过山车运动状态监测装置，可在过山车运营过程中实现过山车运动状态实时监测，提高过山车运动状态的监测能力，丰富过山车运动状态监测的效果。
本发明提供的过山车运动状态监测方法即装置，包括但不限于某一特定类型过山车设施，只要涉及监测过山车运动状态的所有场景，例如：金属过山车、悬挂式过山车以及穿梭式过山车等，均可以采用本发明所提供的过山车运动状态监测方法，这里也不做具体限定。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种过山车运动状态监测方法，其特征在于，包括：
监测过山车运动状态数据，构建过山车运营状态模型，得到过山车运营过程中各位置运动状态测量值；
由过山车设计模型和以往过山车正常运行状态的监测历史数据，建立状态监测对比模型，确定过山车运营过程中各位置运动状态期望值；
设定过山车运行状态阈值，对比过山车运营过程中各位置运动状态测量值和各位置运动状态期望值，判断过山车正常运营过程中是否处于异常状态及异常状态发生位置。
2.根据权利要求1所述的过山车运动状态监测方法，其特征在于，所述过山车运营状态模型的建立过程包括，
步骤S201、以过山车车体为参考，获取过山车运营过程中车体的实时加速度和角速度数据；
步骤S202、根据测量获得的实时加速度和角速度数据，解算获得以地球为参考的过山车车体实时空间位置坐标空间姿态车体运动速度和车体运动加速度其中n表示过山车运行过程中测量位置序号；
步骤S203、由测量和解算结果构建过山车运营状态模型。
3.根据权利要求2所述的过山车运动状态监测方法，其特征在于，所述过山车运营状态模型为：
式中，各参数均为以地球为参考系计算获得，i表示过山车第i次运行，即该模型为第i次运行后获得过山车运动状态模型；
x,y,z为车体运行中坐标；
为车体在(x,y,z)坐标点俯仰角度；
为车体在(x,y,z)坐标点滚动角度；
为车体在(x,y,z)坐标点航向角度；
为车体在(x,y,z)坐标点X轴向速度；
为车体在(x,y,z)坐标点Y轴向速度；
为车体在(x,y,z)坐标点Z轴向速度；
为车体在(x,y,z)坐标点X轴向加速度；
为车体在(x,y,z)坐标点Y轴向加速度；
为车体在(x,y,z)坐标点Z轴向加速度。
4.根据权利要求3所述的过山车运动状态监测方法，其特征在于，过山车运营过程中各位置运动状态期望值：
式中，statusD为过山车设计模型中各位置运动状态的理论值；
status1 n,···,statusm n为过山车运营过程中记录的m次正常运营的运动状态测量值。
5.根据权利要求4所述的过山车运动状态监测方法，其特征在于，过山车正常运营过程中是否处于异常状态的判断条件为||expectn|-|statusi n||≤|Thresholdset|；式中，expectn为过山车运营过程中各位置运动状态期望值；statusi n为当次的过山车运营状态运动状态测量值；Thresholdset为设定的过山车运行状态阈值。
6.一种过山车运动状态监测装置，其特征在于，包括运动状态监测模块、运动状态期望值生成模块和异常判断模块；
所述运动状态监测模块，固定在过山车车体上，用于监测过山车在运营过程中车体的实时加速度和角速度数据，解算过山车车体实时空间位置坐标、空间姿态、车体运动速度和车体运动加速度，以构建过山车运营状态模型；
所述运动状态期望值生成模块，与所述运动状态监测模块连接，用于接收过山车运营的监测历史数据，并根据以往过山车正常运行状态的监测历史数据与过山车设计模型建立状态监测对比模型，确定过山车运营过程中各位置运动状态期望值；
所述异常判断模块，与所述运动状态监测模块和所述运动状态期望值生成模块分别连接，用于根据设定过山车运行状态阈值，对比当次的过山车运营状态模型和状态监测对比模型，判断过山车正常运营过程中是否处于异常状态及异常状态发生位置。
7.根据权利要求6所述的过山车运动状态监测装置，其特征在于，所述运动状态监测模块包括运动感应测量组件、电池仓组件、电缆和基座；
所述运动感应测量组件，用于测量过山车的三轴加速度、俯仰轴、滚动轴和航向轴角速度，解算过山车车体实时空间位置坐标、空间姿态、车体运动速度和车体运动加速度，以构建过山车运营状态模型；
所述电池仓组件内部包括电池，用于给所述运动感应测量组件供电；
所述电池仓组件和所述运动感应测量组件通过电缆连接；
所述运动感应测量组件和电池仓组件分别固定在所述基座上，并通过所述基座安装在过山车的车体上。
8.根据权利要求6所述的过山车运动状态监测装置，其特征在于，所述运动感应测量组件，包括运动姿态传感器、信号处理器、数据存储单元和通信单元；
所述运动姿态传感器，用于测量过山车的三轴加速度、俯仰轴、滚动轴和航向轴角速度；
所述信号处理器与所述运动姿态传感器连接，用于读取运动姿态传感器输出测量结果；并依据四元数法姿态算法解算过山车车体实时空间位置坐标、空间姿态、车体运动速度和车体运动加速度；
所述数据存储单元与所述信号处理器连接，用于存储运动姿态传感器测量数据、过山车运动姿态解算过程数据和结果数据；
所述通信单元，用于与运动状态期望值生成模块和异常判断模块建立通信连接。
9.根据权利要求8所述的过山车运动状态监测装置，其特征在于，所述数据存储单元包括非易失性存储器、静态随机存储器和带电可擦可编程只读存储器；
所述非易失性存储器，用于存储过山车运营的监测历史数据；
所述静态随机存储器，用于为当前次运营过程中获得的X/Y/Z三轴加速度和俯仰轴、滚动轴和航向轴角速度数据，及解算过程中产生的中间变量进行缓存；
所述带电可擦可编程只读存储器，用于存储所述运动感应测量组件正常运行所需设置的相关参数。
10.根据权利要求8所述的过山车运动状态监测装置，其特征在于，所述通信单元包括有线通信单元和无线通信单元。
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