CN109452757A - 一种基于电动升降桌防碰撞控制系统及其防碰撞方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种电动升降桌防碰撞控制系统及其防碰撞方法，包括升降桌、设置在升降桌上的电动升降桌控制盒及设置在电动升降桌控制盒内的单片机，其特征在于，所述电动升降桌控制盒内设有加速度及陀螺仪芯片，且加速度及陀螺仪芯片随升降桌作同步运动，所述加速度及陀螺仪芯片与单片机之间信息交互，并通过单片机对升降桌进行运动控制。本发明的有益效果是：该系统通过设置加速度及陀螺仪芯片，有效地实现遇阻侦测，灵敏度更高，运行更可靠，感知升降桌遇阻时轻微的角度变化或加速度变化，从而判断升降桌运行过程中是否遇阻。

Description

一种基于电动升降桌防碰撞控制系统及其防碰撞方法
技术领域
本发明涉及电动升降桌防碰撞技术领域，具体涉及一种基于电动升降桌防碰撞控制系统及其防碰撞方法。
背景技术
电动升降桌除了基本的升降功能外，升降过程中遇到阻碍的安全保护性能是至关重要的一项性能。
目前的电动升降桌通过侦测电机电流来判断是否遇到障碍，当运行过程中遇到阻力，电机电流就会发生变化。这种方法的缺点就是灵敏度较差，只能有效感知较大的阻力，安全性不高。或采用一种利用震动传感器进行遇阻侦测的控制器，当运行过程中遇到阻力引起桌子震动后，就感知到遇阻。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了结构合理、控制精确的一种基于电动升降桌防碰撞控制系统及其防碰撞方法。
本发明的技术方案如下：
一种电动升降桌防碰撞控制系统，包括升降桌、设置在升降桌上的电动升降桌控制盒及设置在电动升降桌控制盒内的单片机，其特征在于，所述电动升降桌控制盒内设有加速度及陀螺仪芯片，且加速度及陀螺仪芯片随升降桌作同步运动，所述加速度及陀螺仪芯片与单片机之间信息交互，并通过单片机对升降桌进行运动控制。
所述的一种电动升降桌防碰撞控制系统，其特征在于，所述电动升降桌控制盒搭载在升降桌的面板底部或者升降桌运动部件上。
所述的一种基于电动升降桌防碰撞控制系统的防碰撞方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）建立以地平面为参考的X2-Y2-Z2坐标系，建立以加速度及陀螺仪芯片自身的X1-Y1-Z1坐标系；并通过加速度及陀螺仪芯片感知X1-Y1-Z1的三个轴方向的加速度和运动角速度；
2）当升降桌静止或匀速运动时，加速度及陀螺仪芯片只有重力加速度，此时加速度及陀螺仪芯片平行于地面，则只有Z1方向上的重力加速度，在X1轴和Y1轴上的重力加速度分量均为0；
3）当升降桌与地面倾斜时，加速度及陀螺仪芯片的重力加速度在X1轴、Y1轴及Z1轴上分别产生分量，并根据分量值，得到此时加速度及陀螺仪芯片的倾斜角度；
4）当当升降桌从一个角度变化到另一个角度的过程中，加速度及陀螺仪芯片会在X1轴、Y1轴及Z1轴三轴中至少一个轴上产生旋转运动，利用重力加速度计算角度的方法及陀螺仪的旋转角速度计算角度的方法分别得到此时角度变化量，再加上初始的角度值，从而得到当前的角度值；
5）采用卡尔曼算法，将步骤4）中通过重力加速度计算出角度的角度变化量作为卡尔曼算法的测量值，将通过陀螺仪的旋转角速度计算出角度的角度变化量作为过程，通过卡尔曼算法得出最接近真实值的估值；
6）通过步骤5）中计算得到的角度变化量，来判断是否遇阻，从而由单片机作出相应控制反应。
所述的一种基于电动升降桌防碰撞控制系统的防碰撞方法，其特征在于，所述步骤4）中利用重力加速度计算角度的方法为：因重力加速度总是与地水平面垂直，当加速度及陀螺仪芯片绕Y1轴旋转α角度时，在X1和Z1轴上分别产生分量ax和az，其中ax和az是通过单片机从加速度及陀螺仪芯片中读出的，则求出α=arctang(ax/az)；当加速度及陀螺仪芯片绕X1轴旋转β角度时，在Y1和Z1轴上分别产生分量ay和az，其中ay和az是通过单片机从加速度及陀螺仪芯片中读出的，则求出β=arctang(ay/az)。
所述的一种基于电动升降桌防碰撞控制系统的防碰撞方法，其特征在于，所述步骤4）中利用陀螺仪的旋转角速度计算角度的方法为：间隔T时间采样，从T0时刻到最终Tk时刻，通过单片机从加速度及陀螺仪芯片中读出对应时刻的角速度为W0及Wk，T0时刻角度为0，则Tk时刻对应的角度a=0+W0*T+W1* T+ W2* T+…+ Wk-1* T。
所述的一种基于电动升降桌防碰撞控制系统的防碰撞方法，其特征在于，所述步骤6）中判断是否遇阻方法：通过步骤5）得到角度变化量与阈值之间进行比较，若超过设定阈值，就认为桌面因遇阻，若未超过设定阈值，就认为桌面没有遇阻。
本发明的有益效果是：该系统通过设置加速度及陀螺仪芯片，有效地实现遇阻侦测，灵敏度更高，运行更可靠，感知升降桌遇阻时轻微的角度变化或加速度变化，从而判断升降桌运行过程中是否遇阻。
附图说明
图1为本发明的控制流程框图；
图2为本发明的加速度及陀螺仪芯片自身坐标系图；
图3为本发明的加速度及陀螺仪芯片绕Y1轴旋转α角度示意图；
图4为本发明的加速度及陀螺仪芯片绕X1轴旋转β角度示意图；
图中：1-升降桌，2-电动升降桌控制盒，3-单片机，4-加速度及陀螺仪芯片。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明作进一步描述。
如图1-4所示，一种基于电动升降桌防碰撞控制系统包括升降桌1、电动升降桌控制盒2、单片机3及加速度及陀螺仪芯片4（加速度及陀螺仪芯片4是目前是手机或平衡车中用来测量手机的运动轨迹或平衡车的角度的电子元器件）。
电动升降桌控制盒2设置在升降桌1的面板底部或者升降桌1运动部件上，单片机3设置在电动升降桌控制盒2内，可对升降桌1的驱动系统进行控制；电动升降桌控制盒2内设有加速度及陀螺仪芯片4，且加速度及陀螺仪芯片4能够随升降桌1作同步运动，加速度及陀螺仪芯片4与单片机3之间信息交互，并通过单片机3对升降桌1进行运动控制。
电动升降桌防碰撞控制系统的防碰撞方法，具体步骤如下：
1）建立以地平面为参考的X2-Y2-Z2坐标系，建立以加速度及陀螺仪芯片4自身的X1-Y1-Z1坐标系；并通过加速度及陀螺仪芯片感知X1-Y1-Z1的三个轴方向的加速度和运动角速度；
2）当升降桌静止或匀速运动时，加速度及陀螺仪芯片只有重力加速度，此时加速度及陀螺仪芯片平行于地面，则只有Z1方向上的重力加速度，在X1轴和Y1轴上的重力加速度分量均为0；
3）当升降桌与地面倾斜时，加速度及陀螺仪芯片的重力加速度在X1轴、Y1轴及Z1轴上分别产生分量，并根据分量值，得到此时加速度及陀螺仪芯片的倾斜角度；
4）当升降桌从一个角度变化到另一个角度的过程中（桌面发生碰撞后产生角度变化），加速度及陀螺仪芯片会在X1轴、Y1轴及Z1轴三轴中至少一个轴上产生旋转运动，利用重力加速度计算角度的方法及陀螺仪的旋转角速度计算角度的方法分别得到此时角度变化量，再加上初始的角度值，得到当前的角度值；
其中步骤4）中利用重力加速度计算角度的方法为：因重力加速度总是与地水平面垂直，当加速度及陀螺仪芯片绕Y1轴旋转α角度时，在X1和Z1轴上分别产生分量ax和az，其中ax和az是通过单片机3从加速度及陀螺仪芯片4中读出的，则求出α=arctang(ax/az)；当加速度及陀螺仪芯片绕X1轴旋转β角度时，在Y1和Z1轴上分别产生分量ay和az，其中ay和az是通过单片机3从加速度及陀螺仪芯片4中读出的，则求出β=arctang(ay/az)。（值得注意的是：绕加速度及陀螺仪芯片绕Z1轴方向旋转的角度在我们这个应用中不需考虑。）
其中步骤4）中利用陀螺仪的旋转角速度计算角度的方法为：间隔T时间采样，从T0时刻到最终Tk时刻，通过单片机从加速度及陀螺仪芯片中读出对应时刻的角速度为W0及Wk，T0时刻角度为0，则Tk时刻对应的角度a=0+W0*T+W1* T+ W2* T+…+ Wk-1* T；
5）采用卡尔曼算法，将步骤4）中通过重力加速度计算出角度的角度变化量作为卡尔曼算法的测量值，将通过陀螺仪的旋转角速度计算出角度的角度变化量作为过程，通过卡尔曼算法得出最接近真实值的估值；
6）通过步骤5）中计算得到的角度变化量，来判断是否遇阻，从而由单片机3作出相应控制反应。判断是否遇阻方法：通过步骤5）得到角度变化量与阈值之间进行比较，若超过设定阈值，就认为桌面因遇阻，若未超过设定阈值，就认为桌面没有遇阻。

Claims (6)

1.一种电动升降桌防碰撞控制系统，其特征在于，包括升降桌（1）、设置在升降桌（1）上的电动升降桌控制盒（2）及设置在电动升降桌控制盒（2）内的单片机（3），所述电动升降桌控制盒（2）内设有加速度及陀螺仪芯片（4），且加速度及陀螺仪芯片（4）随升降桌（1）作同步运动，所述加速度及陀螺仪芯片（4）与单片机（3）之间信息交互，并通过单片机（3）对升降桌（1）进行运动控制。
2.根据权利要求1所述的一种电动升降桌防碰撞控制系统，其特征在于，所述电动升降桌控制盒（2）搭载在升降桌（1）的面板底部或者升降桌（1）运动部件上。
3.根据权利要求1-2任一所述的一种基于电动升降桌防碰撞控制系统的防碰撞方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）建立以地平面为参考的X2-Y2-Z2坐标系，建立以加速度及陀螺仪芯片（4）自身的X1-Y1-Z1坐标系；并通过加速度及陀螺仪芯片（4）感知X1-Y1-Z1的三个轴方向的加速度和运动角速度；
2）当升降桌（1）静止或匀速运动时，加速度及陀螺仪芯片（4）只受重力加速度，此时加速度及陀螺仪芯片（4）平行于地面，则只有Z1方向上的重力加速度，在X1轴和Y1轴上的重力加速度分量均为0；
3）当升降桌（1）与地面倾斜时，加速度及陀螺仪芯片（4）的重力加速度在X1轴、Y1轴及Z1轴上分别产生分量，并根据分量值，得到此时加速度及陀螺仪芯片（4）的倾斜角度；
4）当升降桌（1）从一个角度变化到另一个角度的过程中，加速度及陀螺仪芯片（4）会在X1轴、Y1轴及Z1轴三轴中至少一个轴上产生旋转运动，利用重力加速度计算角度的方法及陀螺仪的旋转角速度计算角度的方法分别得到此时角度变化量，再加上初始的角度值，从而得到当前的角度值；
5）采用卡尔曼滤波算法，将步骤4）中通过重力加速度计算出角度的角度变化量作为卡尔曼滤波算法的测量值，将通过陀螺仪的旋转角速度计算出角度的角度变化量作为过程值，通过卡尔曼滤波算法将两个值进行融合，得出最接近真实值的角度估值；
6）通过步骤5）中计算得到的角度变化量，来判断是否遇阻，从而由单片机（3）作出相应控制反应。
4.根据权利要求3所述的一种基于电动升降桌防碰撞控制系统的防碰撞方法，其特征在于，所述步骤4）中利用重力加速度计算角度的方法为：因重力加速度总是与地水平面垂直，当加速度及陀螺仪芯片绕Y1轴旋转α角度时，在X1和Z1轴上分别产生分量ax和az，其中ax和az是通过单片机（3）从加速度及陀螺仪芯片（4）中读出的，则求出α=arctang(ax/az)；当加速度及陀螺仪芯片绕X1轴旋转β角度时，在Y1和Z1轴上分别产生分量ay和az，其中ay和az是通过单片机（3）从加速度及陀螺仪芯片（4）中读出的，则求出β=arctang(ay/az)。
5.根据权利要求3所述的一种基于电动升降桌防碰撞控制系统的防碰撞方法，其特征在于，所述步骤4）中利用陀螺仪的旋转角速度计算角度的方法为：间隔T时间采样，从T0时刻到最终Tk时刻，通过单片机从加速度及陀螺仪芯片中读出对应时刻的角速度为W0及Wk，T0时刻角度为0，则Tk时刻对应的角度a=0+W0*T+W1* T+ W2* T+…+ Wk-1* T。
6.根据权利要求3所述的一种基于电动升降桌防碰撞控制系统的防碰撞方法，其特征在于，所述步骤6）中判断是否遇阻方法：通过步骤5）得到角度变化量与阈值之间进行比较，若超过设定阈值，就认为桌面因遇阻，若未超过设定阈值，就认为桌面没有遇阻。
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