CN1220880C - 一种无水阻船速测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无水阻船速测量仪，它由主加速度传感器、信号调理电路(2)、微处理器(3)组成，传感器组(1)由加速度主传感器和补偿加速度传感器组成，其主加速度传感器的敏感方向安装在船艇的前进方向，补偿加速度传感器的敏感方向与船艇的前进方向垂直；所有装置均安装在一个机盒内，使信号采集、数据处理及数据显示合为一体，简化了结构，克服了仪表外安装传感器的诸多不便，而且实现了无水阻、多自由度测量，可以更全面地了解和分析船艇的运动情况以及划手的技术动作，测出船艇摆动、纵摇、升沉时产生的加速度数据并可对主传感器的数据进行误差补偿，提高了测量的准确性和稳定性；它还可以进行实时桨频测量。

Description

一种无水阻船速测量仪

技术领域

本发明涉及一种测量船艇速度的测量仪，特别是涉及一种划船运动中测量船速的测量仪。

背景技术

有关船速测量使用的方法和装置，美国5597952号专利《用于喷射推进船的速度测量和补偿装置》，是用皮托管和压力传感器进行测量，测低船速时灵敏度差；本申请人参与设计的中国专利《船速桨频测量仪》(专利号：ZL95212125.5)使用电磁传感器和半导体压阻传感器，虽然能实时同步测出船速和桨频，并提高了测量精度，但传感器仍在水中，增加了船的阻力；美国5483242号专利《测量物体的速度和距离的方法》，是用电磁波进行测量；美国6212129号专利《测量多种物体速度的装置》和美国5224075号专利《测量运动物体速度的装置》，都是利用声波的多普勒效应进行船体速度的测量；美国5814732号专利《激光多普勒速度测量装置》和上述后3项美国专利一样，虽能实现无接触、无水阻测量，但测量装置结构复杂，体积较大，成本昂贵。

国内外的划船测试仪表中，船速的测量一般采用电磁传感器，螺旋桨传感器或半导体压力传感器，这些传感器必须与水接触。由于船体水线以下安装了附加设备，无法避免水阻的产生，有时还会造成偏航，测量结果并不能完全反映真实竞赛时的情况，而且对划手的动作训练有不良的影响，因而限制了应用范围。

本申请人参与设计的中国专利《无水阻船速桨频测量仪》(专利号：ZL98235770.2)使用加速度传感器，测出船体在前进方向上的加速度，并对加速度进行积分运算，已经可以实现无水阻测量船速和浆频，但若因为风浪太大或划手技术不佳，造成船艇严重颠簸时，测量结果含有附加的误差。

美国20020002863号专利《速度表》，是测量人体运动时在其2个或3个主方向上的加速度，然后对加速度进行积分运算，做成人体步行速度表；美国20010034583号专利《运动员速度表》，是用主加速度传感器和补偿加速度传感器测出滑雪、滑冰和山地自行车运动员的速度；上述2项专利都未涉及船速的测量。

因此目前划船运动、航运、舰艇上都急需一种结构简单、测量准确、价格低廉的无水阻船速测量仪。

本发明所要解决的技术问题是：针对上述不足，提供一种简单却较准确的无水阻船速测量仪器。

发明内容

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种无水阻船速测量仪，它由主加速度传感器、信号调理电路、微处理器组成，传感器组由主加速度传感器和补偿加速度传感器组成，其主加速度传感器的敏感方向安装在船艇的前进方向，补偿加速度传感器的敏感方向安装方向与船艇的前进方向垂直，主加速度传感器的检测信号a1和补偿加速度传感器的检测信号a2的输出接口与信号调理电路的输入接口相连，随后将信号输入微处理器，微处理器进行数值处理时利用下述公式计算t时刻船艇的加速度at：

${\stackrel{\‾}{a}}_t=\sqrt{a_1^2+a_2^2}$

此时 a_t为2D加速度矢量a_t的模，其幅角的计算公式为：

${\mathrm{\θ}}_1={\cos }^{-1}\frac{a_1}{{\stackrel{\‾}{a}}_t}$

${\mathrm{\θ}}_2={\cos }^{-1}\frac{a_2}{{\stackrel{\‾}{a}}_t}$

船速V_t及船艇的位移S_t的计算公式均为：

$v_t=v_0+\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{a}_t\mathrm{dt}$

$S_t=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{v}_t\mathrm{dt}$

这里v₀为t₀(初始)时刻船艇的速度，V_t和S_t仍旧都是矢量，计算出它们在前进方向上的分量就是所测量出的船艇的速度和船艇的航程。

测出上述参数后，用微处理器根据当前的加速度和速度变化情况，找出每次划桨的速度峰值或谷值，然后算出相邻2次划桨动作之间的时间间隔，并据此计算出当前的桨频。

本发明测量仪中补偿加速度传感器的敏感方向安装在与水面垂直的方向。

本发明测量仪中补偿加速度传感器的敏感方向安装在船艇的横轴方向。

本发明测量仪中补偿传感器加速度为两只，它们的敏感方向分别安装在与水面垂直的方向和船艇的横轴方向，第二只补偿加速度传感器的检测信号a₃输入微处理器(3)，利用下述公式计算t时刻的船艇的加速度at：

${\stackrel{\‾}{a}}_t=\sqrt{a_1^2+a_2^2+a_3^2}$

此时 a_t为3D加速度矢量a_t的模，其幅角的计算公式为：

${\mathrm{\θ}}_t={\cos }^{-1}\frac{a_1}{{\stackrel{\‾}{a}}_t}$

${\mathrm{\θ}}_2={\cos }^{-1}\frac{a_2}{{\stackrel{\‾}{a}}_t}$

${\mathrm{\θ}}_3={\cos }^{-1}\frac{a_3}{{\stackrel{\‾}{a}}_t}.$

船速V_t及船艇的位移S_t的计算公式均为：

$v_t=v_0+\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{a}_t\mathrm{dt}$

$S_t=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{v}_t\mathrm{dt}$

这里v₀为t₀(初始)时刻船艇的速度，V_t和S_t仍旧都是矢量，计算出它们在前进方向上的分量就是所测量出的船艇的速度和船艇的航程。

本发明测量仪中加速度传感器可采用电容式加速度传感器。

本发明测量仪中，微处理器可按需要安装打印和通信接口也可以连接实时数据传输装置。

本发明测量仪中，微处理器的通信接口可以采用有线接口电路和(或)无线接口电路。配有有线接口的装置可以在上岸后直接与计算机相连，也可以经过计算机网络或电话线路等与附近或远处的计算机连接对所测参数进行数据传输和数值分析处理。在短距离的情况下，连接规格可以采用目前常见的RS232，485标准，需要长距离传递数据时可以采用485标准或利用调制/解调器(MODEN)在电话线路上传递，需要使用计算机网络时可以采用当前的IEEE802标准(局域网)，或TCP/IP标准(因特网)。未来出现的新的数据传输标准都可以适当应用。

采用无线方式的信号传递则采用光电或射频方式完成仪器和计算机之间的连接，由于相互之间没有连线，使用起来更加方便。具体应用时的数据传递规格可以参考irDA，蓝牙(BLURTEETH)等标准，以及IEEE关于无线局域网的标准等。

本发明应用于划船运动训练时，实时数据传输装置能将训练船艇测得的船速和桨频等信号，采用无线方式实时地发射到岸边的接收系统，便于教练员及时了解运动员的动作情况。也可以同时监测和调控多条船艇的训练。具体装置可以采用自行定义的数据通信格式，也可以直接利用蓝牙(BLURTEETH)等以及IEEE关于无线局域网的标准，也可以利用未来出现适当的无线数据的新标准。

本发明测量仪中传感器组、信号调理电路、微处理器均安装在一个机盒内，机盒固定在船体(5)上。

本发明测量仪中，可对采集的加速度传感器信号，采用本申请人在中国专利《船速桨频测量仪》(专利号：ZL95212125.5)公开的峰值法进行逻辑运算，从而检测桨频。

本发明的有益效果是，它在船艇前进方向安装了主加速度传感器外，还在与前进方向垂直的方向上安装补偿加速度传感器，因而能够测出船艇摆动、纵摇、升沉时产生的加速度信号，从而实现多自由度测量。这些信号首先用来更全面地了解和分析船艇的运动情况，也可以对主传感器的实测信号进行校正，提高船速的测量精度。特别是用于划船运动训练时，这些校正运算有助于改善因为风浪或者桨手技术不佳而使船艇颠簸较明显的条件下速度和浆频的测量精度。

附图说明

图1本发明测量仪的结构示意图。

图2为本发明测量仪的功能方框图。

图3为本发明使用1只补偿加速度传感器的船速测量仪电路原理图。

图4为本发明使用2只补偿加速度传感器的船速测量仪电路原理图。

具体实施方式

如图1，传感器组(1)和信号调理电路(2)紧固在装有微处理器(3)的机壳(4)内，机壳(4)直接紧固在船体(5)上测试者视线容易观察的地方。

图2为本发明测量仪的功能方框图：图中依次为传感器输入，信号放大，模数(A/D)转换，数值处理，显示和打印。

本发明装置的具体检测过程是这样的：测量仪器开机后，微处理器(3)完成上电初始化并开始工作，同时传感器得到工作电压，进入工作状态。

当船艇处于静止状态时，传感器组(1)的输出为零，微处理器(3)的显示屏上船速的读数也为零；当船艇前进时，传感器上就输出一个代表当前加速度的电压，按图2方框图所示，该电压经过信号预处理，经A/D转换器送入微处理器。最后由微处理器将计算出来的船速和航程等数值显示在显示屏上。

图3为本发明使用1只补偿加速度传感器的船速测量仪电路原理图：

图3电路中J101和J201分别连接了一支加速度传感器(8303A)。这2支加速度传感器在机壳内正交安放，一支作为加速度主传感器，另外一支为补偿加速度传感器。该种型号的加速度传感器有4根连线，其中标号1为加速度传感器的电源线，标号2为加速度传感器电源的地线，标号4线为加速度信号输出线，标号3为信号地线，分别连接到J101和J201的相应引脚上。

传感器8303A需要使用+9～20V的电源供电，为了给传感器提供稳定的电源，而且不至于过分提高电池的电压，系统使用了内部含有稳压电路的DC-DC变换器(U101)，将5伏的系统电压变换为稳定的9V的电压供传感器使用。

实际的电池采用6V干电池或蓄电池组，IC105(LM2940S5.0)将6V左右的电池电压稳压至5V，供系统使用。

IC104为电压检测器(HT7056B)，用来监测电源的电压。当电池电压低于5.6V时，其输出端(1脚)为低电平，向IC103提供“电压不足”的信号。微处理器检测到该信号后，在屏幕上作相应的显示，提醒用户及时更换电池。

来自传感器的加速度信号经过电容C101和C201分别送入运算放大器IC102的二个放大器，放大后送入微处理器IC103。

运算放大器IC102为双运放LM358。该电路起到了幅度放大和带通濾波的作用，电容C101、C201起到隔直作用并与R101、R201构成高通滤波器。以第一路放大器为例，其低端截止频率f_-3dbL按照下列公式计算：

$f_{-3\mathrm{dBL}}=\frac{1}{{2\mathrm{nC}}_{101}{R}_{101}}$

电路中的R104和C104构成低通滤波环节，其高端截止频率f_-3dbH按照下列公式计算：

$f_{-3\mathrm{dBH}}=\frac{1}{{2\mathrm{\πC}}_{104}{R}_{104}}$

图3中，R103、R203连接到IC101的中点电位端，为放大器线路提供参考电位。信号调理电路的增益均为： $G=1+\frac{R_{104}}{R_{103}}$

第二路放大器的参数计算与此类似。

图3中的IC103为微处理器(PIC16C71)，用来进行数据处理，系统软件存放也在IC103内部的只读存储器(ROM)之中。IC103内部带有A/D转换器，所以由IC201来的加速度信号由IC103内部的A/D转换器转换为数码量，无须另外使用单独的A/D转换器。微处理器对转换后的数码进行分析并计算出桨频值。

二个加速度信号分别由IC103的第1脚和第18脚输入，IC103的第2脚为参考电位输入端，该端口与IC103的电源端相连。

IC103的第14脚接正电源。本仪器的正电源使用6V电池经过开关SW101直接供电。C110为电源退耦电容器。IC103的第4脚为复位端，由R105、C105和D101组成复位电路，在仪器接通电源时，可以为IC103提供复位信号。IC103的时钟信号由其第15脚和第16脚上连接的晶振产生。IC103的第8～10脚连接了3个按钮开关S101～S103，供用户对于仪器进行控制。其中S101为测量开始/停止(START/STOP)按钮，用来控制仪器开始和停止测量。S102和S103为功能按钮(F1、F2)，用来控制仪器的其它功能。IC103的第11脚连接IC104，检测来自IC104的“电压不足”的信号。

图3中的LCD101为液晶显示器，用来显示有关数据。

系统软件包括采样、信号预处理、桨频计算、显示以及主控等模块。采样模块包括定时、A/D转换等功能。采样的定时信号由微处理器内部的定时器产生。信号预处理模块主要是对采集的数据进行数字滤波和幅度调整，以改善信号质量，便于桨频计算模块做进一步处理。桨频计算模块包括划桨识别和桨频计算功能。主要是对经过预处理的信号做出划桨判断，并将有关时间间隔换算成桨频。显示模块实际上就是一些LCD显示驱动子程序，供主控程序调用。主控模块为系统的主程序，根据用户的控制，负责系统的整体动作。

图4为本发明另外一个实施例的电路原理图：该实施例为使用2只补偿加速度传感器的船速测量仪。本实施例可同时检测船体在3维空间的运动状况，可以更全面地校正和消除船速测量误差，提高船速测量精度。本实施的功能比较全面，除了测量船艇的速度、航程等参数外，还可以将数据存储在仪器内部，供事后分析。

图4电路中的J401、J402、J403分别为连接三个加速度传感器的插座，三只加速度传感器的型号仍为8303A，分别安装在相互垂直的方向上。J401连接主加速度传感器，其敏感方向为船艇前进的方向，另外二只传感器为主加速度传感器的补偿加速度传感器。

J401连接主加速度传感器，其敏感方向为船艇前进的方向，另外二只传感器为主加速度传感器的补偿加速度传感器。

IC401是一个四运算放大器(LM324)。由图6可见，来自加速度传感器的各路加速度信号分别经过IC401内部的3运算放大器放大后送入A/D转换器。这方面的情况与前面的例子相同。IC405仍为基准电源，它为A/D转换器电路提供了2.5V的参考电位。该电位的1/2电压经IC401中的一个运算放大器做电压跟随后为各个放大电路提供参考电平。放大器的增益和带宽的计算与前面的实施例相同。

在本实施例中，使用了分辨率为12BIT的多通道AD转换器芯片TLC2543(IC404)，它有11个模拟量输入通道，本仪器仅使用了其中4个通道。其中0通道(AIN0)连接主传感器的加速度信号，第1、第2通道(AIN1、AIN2)连接补偿加速度传感器的信号，提供给第3通道(AIN3)的信号为供电电池的电压的1/2，用来监控电池的电压。

本仪器使用了稳压电源供电，电池电压为6V。电池经过开关SW1向仪器供电，C417、C418为电源退耦电容器。IC406(LM2940S5.0)将6V的电源电压稳定为5V直流电源。C415、C416为稳压后的电源退耦电容器。

图4中的IC402为微处理器(89C55)。IC402内部有20K字节的只读存储器(ROM)，用来存放系统的程序。微处理器系统还有配有32K字节的随机存取存储器，用来存放测量的数据供事后分析和技术资料的长期保存。

IC403为多功能的非易失性存储器，主要用来保留设置参数。IC403还为微处理器提供复位电平。系统采用11.0592MHz的晶振。LCD401为点阵图形液晶显示器模块T401和RV405为LCD401的对比度调节机构。

本仪器配有RS232串行接口，可以与IBM-PC计算机通信，将采集到的数据送入PC机，做后处理或永久保存。IC409(MAX232)为RS232串行接口芯片，J232为通信插口。

电路按钮开关等其他电路与上一个实施例相同。

系统软件包括采样、信号预处理、计算、显示、通信以及主控等模块。

采样模块包括定时、A/D转换等功能。系统的采样频率仍为50Hz，采样的定时信号由微处理器内部的定时器产生。

信号预处理模块主要是对采集的数据进行数字滤波和幅度调整，以改善信号质量，便于桨频计算模块做进一步处理。

计算模块包括划桨识别和参数计算功能。主要是对经过预处理的信号做出划桨判断，并将有关时间间隔换算成桨频。另外，本模块还进行船速、距离等参数计算，其公式参见本说明书前部的有关内容。

显示模块实际上就是一些LCD显示驱动子程序，供主控程序调用。

通信模块负责仪器与PC机之间的通信。

主控模块为系统的主程序，根据用户的控制，负责系统的整体动作。

下面着重说明本发明的二个实施例在划船运动中的应用原理。

在划船(包括赛艇、皮艇、划艇)运动中，比赛和训练通常从静止起航。起航前，船艇对于大地的加速度为零。微处理器(3)内设有测量准备程序。一旦船艇静止，运动员作好起航的准备后，按下有关按钮，让微处理器(3)进入测量初始化状态。此时，微处理器为后面即将开始的测量程序做好准备，并将有关变量清零，使起航前的初始加速度值和速度、距离值均为零。

运动员开始划桨后，水对于船桨的反作用力通过人体作用于船艇(5)之上。当其大于水对于船的阻力时，船艇获得一个正向加速度，推动船艇前进。对这个加速度进行一次和二次积分运算，即可在微处理器系统(3)的显示屏上显示所测的速度和距离等实时训练参数。

当一次划桨结束，船艇失去动力时，船艇只受到与前进方向相反的水阻力，这时使船艇会产生一个反向加速度，导致船艇速度下降。这时的速度和距离计算仍旧采用对于加速度进行一次和二次积分运算的方法。由于此时的加速度为负值，使船艇的速度减少，这时显示屏上的速度显示值也会随之减小，只要速度不减少到零，距离的累计值(即速度的积分)总是增加的，这样就可以方便地测出船艇的速度及划行距离。

还需要指出的是，为了减少测量过程中了累计误差，特别是长时间测量时，为了消除加速度一次积分和二次积分的误差，提高测量精度，微处理器(3)内还应当安装长距离测量时的速度校正软件和距离校正软件。

因此，本发明的实施例除了都可用来测量赛艇、皮艇和划艇的船速外，只要在各实施例的微处理器(3)中，分别加入软件模块，用波峰法搜索每一次划桨中出现的速度的峰值点和速度的波谷点，这样只要记录下波峰(或波谷)的个数，就可以测量出两个波峰(或波谷)点之间的时间间隔，进而可以测算出当时的桨频。可见，在电路原理图不变的情况下，在实施例的微处理器(3)中分别加入桨频测量软件模块，就是各种不同规格的无水阻船速桨频测量仪。

Claims (10)

1、一种无水阻船速测量仪，它由主加速度传感器、信号调理电路(2)、微处理器(3)组成，其特征是传感器组(1)由主加速度传感器和补偿加速度传感器组成，其主加速度传感器安装在船艇的前进方向，补偿加速度传感器安装方向与船艇的前进方向垂直，主加速度传感器的检测信号a₁和补偿加速度传感器的检测信号a₂的输出接口与信号调理电路(2)的输入接口相连，随后将信号输入微处理器(3)，利用下述公式计算t时刻的船艇的加速度a_t：

${\stackrel{\‾}{a}}_t=\sqrt{a_1^2+a_2^2}$

此时 a_t为2D加速度矢量a_t的模，其幅角的计算公式为：

${\mathrm{\θ}}_1={\cos }^{-1}\frac{a_1}{{\stackrel{\‾}{a}}_t}$

${\mathrm{\θ}}_2={\cos }^{-1}\frac{a_2}{{\stackrel{\‾}{a}}_t}$

船速V_t的计算公式均为：

$v_t=v_0+\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{a}_t\mathrm{dt}$

这里v₀为t₀(初始)时刻船艇的速度。

2、根据权利要求1所述的测量仪，其特征是补偿加速度传感器的敏感方向安装在与水面垂直的方向。

3、根据权利要求1所述的测量仪，其特征是补偿加速度传感器的敏感方向安装在船艇的横轴方向。

4、根据权利要求1所述的测量仪，其特征是补偿加速度传感器为两只，它们的敏感方向分别安装在与水面垂直的方向和船艇的横轴方向，第二只补偿传感器的检测信号a₃输入微处理器(3)，利用下述公式计算t时刻的船艇的加速度a_t：

${\stackrel{\‾}{a}}_t=\sqrt{a_1^2+a_2^2+a_3^2}$

此时 a_t为3D加速度矢量a_t的模，其幅角的计算公式为：

${\mathrm{\θ}}_1={\cos }^{-1}\frac{a_1}{{\stackrel{\‾}{a}}_t}$

${\mathrm{\θ}}_2={\cos }^{-1}\frac{a_2}{{\stackrel{\‾}{a}}_t}$

${\mathrm{\θ}}_3={\cos }^{-1}\frac{a_3}{{\stackrel{\‾}{a}}_t}.$

5、根据权利要求1或4所述的测量仪，其特征是微处理器(3)进行数值处理时用下列公式计算船的航行距离St：

$S_t=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{v}_t\mathrm{dt}$

6、根据权利要求1或2或3或4所述的测量仪，其特征是传感器组(1)采用电容式加速度传感器。

7、根据权利要求1所述的测量仪，其特征是微处理器(3)安装打印和通信接口。

8、根据权利要求7所述的测量仪，其特征是微处理器(3)的通信接口采用有线接口电路或无线发射接口电路，前者在短距离的情况下，连接规格可采用RS232，485标准，需要长距离传递数据时可以采用485标准或利用调制/解调器(MODEN)，需要使用计算机网络时可采用IEEE802标准(局域网)，或TCP/IP标准(因特网)；后者采用光电或射频方式完成仪器和计算机之间的连接，规格可采用irDA，蓝牙(BLURTEETH)，以及IEEE关于无线局域网的标准。

9、根据权利要求1所述的测量仪，其特征是传感器组(1)、信号调理电路(2)、微处理器(3)均安装在一个机盒(4)内，机盒固定在船艇(5)上。

10、根据权利要求1所述的测量仪，其特征是对采集的传感器信号采用峰值法检测桨频。

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