SI23812A - Metoda in naprava za merjenje translacijskega pospeĺ ka, kotnega pospeĺ ka in kotne hitrosti - Google Patents

Abstract

Predmet izuma sta metoda in naprava za merjenje translacijskega pospeška, kotnega pospeška in kotne hitrosti gibajočega telesa na katerega je pritrjena naprava. Bistveni elementi, ki sestavljajo merilno napravo, so dva pospeškometra (1,2) in podporni del na katerega sta pospeškometra pritrjena (3). Naprava po izumu je zasnovana tako, da je možno prilagajati njeno občutljivost s spreminjanjem razdalje med pospeškometroma in da povezava treh med seboj pravokotnih parov pospeškometrov omogoča merjenje v tridimenzionalnem prostoru.

Description

METODA IN NAPRAVA ZA MERJENJE TRANSLACIJSKEGA POSPEŠKA, KOTNEGA POSPEŠKA IN KOTNE HITROSTI

Predmet izuma sta metoda in naprava za merjenje translacijskega pospeška, kotnega pospeška in kotne hitrosti gibajočega telesa na katerega je pritrjena naprava. Bistveni elementi, ki sestavljajo merilno napravo, so dva pospeškometra in podporni del na katerega sta pospeškometra pritrjena. Inovativnost metode in naprave po izumu je omogočanje merjenja io translacijskega pospeška, kotnega pospeška in kotne hitrosti gibanja na osnovi uporabe pospeškometrov. V skladu z inovativno merilno metodo, potrebujemo v ta namen pri gibanju v dvodimenzionalnem prostoru par pospeškometrov. Naprava po izumu je zasnovana tako, da je možno prilagajati njeno občutljivost s spreminjanjem razdalje med pospeškometroma. Naprava po izumu je nadalje is zasnovana tako, da povezava treh med seboj pravokotnih parov pospeškometrov omogoča merjenje v tridimenzionalnem prostoru. Izum sodi v področje fizike mednarodne patentne klasifikacije.

Tehnični problem, ki ga predložena metoda in naprava po izumu uspešno rešujeta, je določitev takšnega postopka in izdelava takšne naprave, ki omogočata merjenje translacijskega pospeška, kotnega pospeška in kotne hitrosti gibajočega telesa na katerega je pritrjena naprava.

• r ·· ·· ···· · • « B · » » « ···

Merjenje translacijskega pospeška, kotnega pospeška in kotne hitrosti nekega telesa omogoča sledenje njegovega gibanja. Slednje je področje interesa različnih raziskovalnih skupin. Aplikacije, ki temeljijo na sledenju gibanja, so uporabne za široko področje, od medicine, športa in rehabilitacije do navigacije vozil in navidezne resničnosti (R. Zhu, Z. Zhou, A Real-Time Articulated Human Motion Tracking Using Tri-Axis Inertial/Magnetic Sensors Package, IEEE Transactions on neural systems and rehabilitation engineering, 2004, 12(2), p295-302.).

Podatki o gibanju so temelj za razpoznavo gibalne aktivnosti in naknadno io rekonstrukcijo gibanja (J.K. Aggarvval, Q. Cai, Human Motion Analysis: A Review, Computer Vision and Image Understanding, 1999, 73(3), p428-440.; K. Altun, B. Barshan, O. Tungel, Comparative study on classifying human activities with miniature inertial and magnetic sensors, Pattem Recogn, 2010, 43, p36053620.; K. Aminian, B. Najafi, Capturing human motion using body-fixed is sensors: outdoor measurement and clinical application, Comp. Anim. Virtual Worlds, 2004, 15, p79-94.; E.A. Heinz, K. S. Kunze, M. Gruber, D. Bannach, P. Lukovvicz, Using Wearable Sensors for Real-Time Recognition Tasks in Games of Martial Arts - An Initial Experiment, Proceedings of the 2006 IEEE Symposium on Computational Intelligence and Games, 2006, p98-102.; E.

Ribnick; V. Moreilas, N. Papanikolopoulos, Human motion pattems from single camera cues for medical applications, 2010 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2010, p5102-5107.; M. Uitervvaal, E.B.C. Glerum, H. J. Busser, R.C. Lummel, Ambulatory monitoring of physical activity in vvorking situations, a validation study, Journal of Medical Engineering &

Technology, 1998, 22(4), ρ168-172.; L. Wang, W. Hu, T. Tan, Recent developments in human motion analysis, Pattem Recogn, 2003, 36, p585601.).

Sledenje človeškega gibanja lahko pripomore pri izboljšanju kakovosti 5 življenja opazovancev z omejeno gibalno sposobnostjo, saj omogoča objektivno določanje nivoja funkcionalnih zmožnosti posameznikov (A Sabatini, Inertial Sensing in Biomechanics: A Survey of Computational Techniques Bridging Motion Anaiysis and Personal Navigation, Computational Intelligence for Movement Sciences: Neural Networks and Other Emerging Techniques, 2006, io p70-100). Slednje lahko koristi starejši populaciji pri samostojnem življenju in vsakdanjih opravilih (S. Najafi, K. Aminian, F. Loew, Y. Blanc, P.A. Robert, Measurement of stand-sit and sit-stand transitions using a miniature gyroscope and /ts application in fall risk evaluation in the elderly, IEEE Transactions on

Biomedical Engineering, 2002, 49(8), p843-851.).

Sledenje človeškega gibanja lahko pripomore tudi pri treningu športnikov ter pri okrevanju posameznikov po poškodbah (H. Huang, S.L. Wolf, J. He, Recent developments in biofeedback for neuromotor rehabilitation, Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, 2006, 3(11)).

Poleg omenjenega se merjenje podatkov o gibanju uporablja tudi v 20 navigacijskih sistemih vozil (S. Holtzhausen, O. Matsebe, N.S. Tlale, G. Bright, Autonomous Undervvater Vehicle Motion Tracking using a Kalman Filter for Sensor Fusion, Proceedingss of the 15th International Conference on Mechatronics and Machine Vision in Practice, 2008.; A. Košir, R. Osredkar,

B. Mušič, F Dimic, On Calibration and Processing ofMEMS Outputs as a part of INS for the Archeo-geophysical Surveying Purposes, Elsevier, 2008).

Sledenje gibanja pomaga tudi pri interakciji med človekom in strojem ter pri razvoju človekolikih robotov (B. Barshan, H.F. Durrant-Whyte, Ine rti a I

Navigation Systems for Mobile Robots, IEEE Transactions on Robotics and Automation, 1995, 2(3)). Nadalje lahko pomaga tudi pri razvoju navideznih okolij in postopkih ustvarjanja animacij (M. Hoffman, P. Varcholik, J.J. LaViola, Breaking the status quo: Improving 3D gesture recognition with spatially convenient input devices, Proceedings of the 2010 IEEE Virtual Reality io Conference (VR), Waltham, MA, USA, March 20-24, 2010, p59-66.; G. Schall, D. Wagner, G. Reitmayr, E. Taichmann, M. Wieser, D. Schmalstieg, B. Hofmann-VVellenhof, Global pose estimation using multi-sensor fusion for outdoor Augmented Reality, Proceedings of the 8th IEEE International Symposium on Mixed and Augmented Reality ISMAR 2009, Orlando, FL, USA,

Oct. 19-22, 2009, p153-162.).

Različne naprave omogočajo zajem podatkov, ki neposredno odražajo gibanje telesa, na katerega so nameščeni. Žiroskop je naprava, ki omogoča merjenje kotne hitrosti. Tehnologije izdelave žiroskopov so različne, kar prinese razlike v njihovi ceni, natančnosti in uporabnosti. Žiroskopi z optičnimi vlakni so zelo natančni in dragi (A. Noureldin, D. Irvine-Halliday, M.P. Mintchev, Accuracy limitations of FOG-based continuous measurement-while-drilling surveying Instruments for horizontal wells, IEEE Trans. Instr. and Measur, 2002, 51, • · ρ1177-1191.). Uporabljajo se predvsem v vesoljskih aplikacijah, na primer za krmiljenje raket.

MEMS (ang. 'microelectromechanical system') žiroskopi vsebujejo majhne vibracijske mehanične elemente za zaznavanje rotacije in sami ne vsebujejo delov, ki bi se obračali. So majhnih dimenzij in teže. Zaradi nizke cene so uporabljajo za različne komercialne aplikacije, na primer v avtomobilski industriji (D.R. Sparks, S.R. Zarabadi, J. D. Johnson, Q. Jiang, M. Chia, O. Larsen, W. Higdon, P. Castillo-Borelley, A CMOS integrated surface micromachined angular rate sensor: its automotive applications, Proceedings of the 1997 io International Conference on Solid State Sensors and Actuators

TRANSDUCERS '97, Chicago, IL, USA, Jul. 16-19, 1997, p851-854.), robotiki (P. C. Lin, H. Komsuoglu, D. E. Koditschek, Sensor data fusion for body State estimation in a hexapod robot with dynamical gaits, IEEE Trans. Robotics, 2006, 22, p932-943.) ter aplikacijah navidezne in dodane resničnosti (M.

Hoffman, P. Varcholik, J.J. LaViola, Breaking the status quo: Improving 3D gesture recognition with spatially convenient input devices, Proceedings of the 2010 IEEE Virtual Reality Conference (VR), Waltham, MA, USA, March 20-24, 2010, p59-66.; G. Schall, D. Wagner, G. Reitmayr, E. Taichmann, M. Wieser, D. Schmalstieg, B. Hofmann-Wellenhof, Global pose estimation using multi20 sensor fusion for outdoor Augmented Reality, In Proceedings of the 8th IEEE International Symposium on Mixed and Augmented Reality ISMAR 2009, Orlando, FL, USA, Oct.19-22, 2009, p153-162.).

Pospeškometer je naprava, ki omogoča merjenje pospeška. Na trgu so dostopni različni nizkocenovni pospeškometri. Zaradi specifične izdelave so na • · · « · · splošno pospeškometri cenovno dostopnejši od žiroskopov, poleg tega pa jih je dokaj preprosto umeriti na osnovi gravitacije.

Inercijski merilni sistemi (N. Yazdi, F. Ayazi, K. Najafi, Micromachined inertial sensors, Proceedings of the IEEE 1998, 86(8), p1640-1659.; B. Barshan, H.F.

Durrant-Whyte, Inertial Navigation Systems for Mobile Robots, IEEE Transactions on Robotics and Automation, 1995, 2(3); O. J. Woodman, An introduction to inertial navigation, University of Cambridge, Technical Report Number 696, 2007) združujejo več enakovrstnih ali raznovrstnih senzorjev za določanje kinematičnih karakteristik gibanja telesa. Na osnovi meritev io žiroskopov je mogoče izračunati orientacija telesa v prostoru, medtem ko podatki iz pospeškometrov omogočajo izračun njegove hitrosti in njegovega položaja.

Inercijski merilni sistem je lahko sestavljen zgolj iz pospeškometrov (K. Aminian, P. Robert, E. E. Buchser, B. Rutschmann, D. Hayoz, M. Depairon is Physical activity monitoring based on accelerometry: validation and comparison with video observation, Med. Biol. Eng. Comput., 1999, 37, p304-308.). M tem primeru se kotna hitrost izračuna iz izmerjenega tangencialnega pospeška kroženja:

a_taa(t) = r άω(ί) dt ’ (A.1) pri čemer je r razdalja pospeškometra od središča kroženja. Pri realnih meritvah natančno določanje kotne hitrosti na opisan način omejuje integracijska napaka.

Metoda in naprava po izumu omogočata merjenje transiacijskega pospeška, kotnega pospeška in kotne hitrosti gibanja telesa na katerega je pritrjena naprava. Poljubno gibanje telesa v prostoru lahko opišemo s translacijskim gibanjem izbrane točke (izhodišča) in z rotacijo (vrtenjem) telesa okrog izbranega izhodišča. Kadar je gibanje omejeno na dve dimenziji (dvodimenzionalno gibanje) lahko, v skladu z inovativno merilno metodo, merimo translacijski pospešek, kotni pospešek in kotno hitrost gibajočega telesa z merilno napravo po izumu. Bistveni elementi naprave so: dva pospeškometra in podporni del na katerega sta pospeškometra pritrjena. Kot pospeškometra lahko uporabimo kakršna koli primerna merilnika pospeška, ki dovolj natančno in v primernem obsegu merita pospešek v dveh pravokotnih smereh dvodimenzionalnega prostora.

Pospeškometra sta medsebojno povezana tako, da je med meritvijo razdalja med njima konstantna, smeri v katerih merita pospeške pa paroma vzporedne is in enako usmerjene. Ena smer vsakega merjenega pospeška je vzporedna povezavnici med obema pospeškometroma (radialna smer), druga pa je na njo pravokotna (tangencialna smer). Kot izhodišče je izbrano središče povezavnice med pospeškometroma. Ob hkratnem upoštevanju meritev obeh pospeškometrov taka konstrukcija naprave omogoča merjenje transiacijskega pospeška izhodišča, ter kotnega pospeška in kotne hitrosti rotacije okrog izhodišča.

V skladu z inovativno metodo je vektor transiacijskega pospeška izhodišča enak srednji vrednosti vektorjev pospeškov, ki ju izmerita oba pospeškometra, radialni pospešek enak razliki izmerjenih pospeškov v radialni smeri in tangencialni pospešek razliki izmerjenih pospeškov v tangencialni smeri. Ker je radialni pospešek pri določeni kotni hitrosti odvisen tudi od razdalje med pospeškometroma, obenem pa je pri danem kotnem pospešku tudi tangencialni pospešek odvisen od te razdalje, lahko s spreminjanjem razdalje med pospeškometroma spreminjamo rotacijsko občutljivost naprave.

Izum bomo podrobneje obrazložili na osnovi ustrezne slike:

slika 1: shematski prikaz merilne naprave;

io Merilna naprava (A), ki je predmet tega izuma, je prikazana na sliki 1. Merilno napravo (A) po izumu sestavljajo dva pospeškometra (1,2) in podporni del na katerega sta pospeškometra pritrjena (3).

Za sledenje dvodimenzionalnega gibanja z uporabo merilne naprave (A) postavimo koordinaten sistem xy v središče (4) merilne naprave (A), tako da kaže os xv tangencialni smeri in os y v radialni smeri prvega pospeškometra (1). Razdaljo pospeškometrov od središča označimo z r. Ker sta pospeškometra (1,2) enako oddaljena od središča naprave (4), oba merita v smeri y enak po velikosti in nasprotno usmerjen radialni pospešek ter po velikosti in smeri enak translacijski pospešek središča (4) naprave (A) v tej smeri. Zato je radialni pospešek enak polovični razliki pospeškov, ki jih merita oba pospeškometra (1,2) v y smeri:

^arad(0 =

0, (A.2) • · ·

Podobno, zaradi specifične konstrukcije merilne naprave (A), merita oba pospeškometra (1,2) v x smeri enak po velikosti in nasprotno usmerjen tangencialni pospešek in po velikosti in smeri enak transiacijski pospešek središča (4) naprave (A) v tej smeri. Zato je tangencialni pospešek kroženja enak polovični razliki pospeškov, ki jih merita oba pospeškometra v x smeri:

3^(0 = (A.3)

Komponenti vektorja translacijskega pospeška središča (4) naprave (A) sta enaki srednjim vrednostim, ki jih merita oba pospeškometra (1,2):

^atr,n(0 = (A.4)

Velikost kotnega pospeška vrtenja naprave (A) okrog njenega središča (4) izračunamo iz izmerjenega tangencialnega pospeška, medtem ko je njegova smer določena s smerjo vektorskega produkta vektorja radija in tangencialnega pospeška:

»kot(0 £>^(0 r-r (A.5)

Radialni pospešek merjen s prvim pospeškometrom (1) v enačbi (A.5) vedno kaže v smeri osi y, medtem ko je tangencialni pospešek lahko usmerjen v smeri osi x ali -x.

Velikost kotne hitrost vrtenja naprave (A) okrog njenega središča (4) lahko izračunamo iz izmerjenega radialnega pospeška:

^Ιω<'^)ιι=/ΐ?

(A.6) • · • · ·

Smeri vrtenja zgolj na osnovi radialnega pospeška ni mogoče določiti.

Kotno hitrost vrtenja naprave (A) okrog njenega središča (4) lahko izračunamo tudi iz tangencialnega pospeška, na osnovi izraza:

®(r)=©₀+£a_kot(r)i* (A. 7)

Prednost tega načina je v tem, da enačba določa tudi smer vrtenja, pri čemer pomeni pozitivna kotna hitrost vrtenje v smeri urinega kazalca. Druga prednost je enačba za izračun linearna, kar je bistveno ugodneje pri obravnavi šuma. Slabost je v tem, da lahko na ta način določimo samo spremembo hitrosti in ne njene vrednosti. Za določitev kotne hitrosti moramo zato poznati začetno kotno io hitrost ω₀. To hitrost lahko določimo po enačbi (A.6), smer pa lahko določimo le, če se ta spreminja. Običajno pa lahko predpostavimo (na tak način izvedemo meritev), da naprava na začetku meritve miruje in velja <o₀ = 0.

Merilna metoda in naprava po izumu sta namenjeni merjenju translacijskega is pospeška, kotnega pospeška in kotne hitrosti. V skladu z inovativno merilno metodo, se omenjene vrednosti merijo z merilno napravo, ki je primerne konstrukcije in vključuje ustrezno število pospeškometrov. Kot pospeškometra sta lahko uporabljena kakršna koli primerna merilnika pospeška, ki dovolj natančno in v primernem obsegu merita pospešek.

Pri večini dosedanjih metod, ki temeljijo na uporabi pospeškometrov se kotna hitrosti izračuna iz izmerjene tangencialne komponente pospeška kroženja. Slednje pri realnih meritvah povzroča integracijsko napako.

V skladu z inovativno merilno metodo in napravo, se vse naštete vrednosti, tudi kotna hitrost, merijo neposredno.

• ·

Zaradi specifične konstrukcije merilne naprave, je možno prilagajati njeno občutljivost s spreminjanjem razdalje med pospeškometroma.

V inovativno merilna napravo lahko integriramo tudi obstoječe rešitve s komplementarnimi karakteristikami za izboljšanje končnih rezultatov. Na primer, 5 pri majhnih kotnih hitrostih, bi za dovolj veliko občutljivost potrebovali veliko razdaljo med obema pospeškometroma, zato je pri majhnih dimenzijah naprava primerna predvsem za merjenje večjih kotnih hitrosti, kar je komplementarno z obstoječimi MEMS žiroskopi, ki so primerni predvsem za nižje kotne hitrosti.

Claims (8)

1. Merilna naprava (A) za sočasno merjenje translacijskega pospeška, kotnega pospeška in kotne hitrosti telesa, ki se prosto giblje v dveh dimenzijah,

5 sestavljena iz dveh dvodimenzionalnih pospeškometrov (1,2) in podpornega dela na katerega sta pospeškometra pritrjena (3), označena s tem, da sta dva dvodimenzionalna pospeškometra (1,2) togo pritrjena na podporni del (3), da je razdalja med njima natančno določena in znana in da sta znani io tudi natančni orientaciji obeh pospeškometrov.

2. Merilna naprava po zahtevku 1, označena s tem, da je mogoče razdaljo med pospeškometroma (1,2) spreminjati in s tem is spreminjati občutljivost in merilno območje naprave.

3. Merilna naprava po zahtevku 2, označena s tem, da sta kot dvodimenzionalna pospeškometra (1,2) lahko uporabljena kakršna 20 koli primerna merilnika pospeška, ki dovolj natančno in v primernem obsegu merita pospešek.

4. Merilna naprava po zahtevku 3, označena s tem, da sta kot pospeškometra (1,2) uporabljena senzorja, ki temeljita na MEMS tehnologiji.

5. Merilna naprava po zahtevkih 1 do 4,

5 označena s tem, da nadalje vsebuje sredstva za predstavitev in/ali obdelavo rezultatov meritev, ki se nanašajo na spremembo translacijskega pospeška, kotnega pospeška in kotne hitrosti s katero se giblje naprava.

io

6. Merilna naprava po zahtevkih 1 do 5, označena s tem, da nadalje vsebuje sredstva za prenos rezultatov meritev na računalnik ali neko drugo napravo.

is

7. Metoda za ugotavljanje translacijskega pospeška, kotnega pospeška in kotne hitrosti in iz njih izvedljivih veličin iz signalov pridobljenih iz obeh pospeškometrov (1,2) merilne naprave (A), označena s tem, da je razlika izmerjenih pospeškov v smeri y sorazmerna centrifugalni sili

20 vrtenja okrog središča (4) naprave, da je njuna srednja vrednost enaka translacijskem pospešku središča (4) naprave v smeri y, da je razlika izmerjenih pospeškov v smeri x sorazmerna kotnemu pospešku vrtenja okrog središča (4) naprave in da je njuna srednja vrednost enaka translacijskemu pospešku središča (4) naprave v smeri x.

• ·

8. Metoda po zahtevku 7, označena s tem, da so uporabljeni trije med seboj pravokotni pari pospeškometrov, kar omogoča 5 spremljanje pospeškov v tridimenzionalnem prostoru.