速度采集

速度采集（精选五篇）

速度采集 篇1

本设计研究的是电梯限速器测试装置的速度采集研究和实现。电梯作为高层建筑重要的运输工具,要频繁运载乘客和货物。为了保证乘客和货物及电梯设备的运行安全,电梯的设计要有足够的安全性,这就需要限速器。电梯限速器是在电梯超过额定速度时,产生相应的动作,从而停止电梯运行的安全设备。因此限速器是电梯最重要的机械安全装置,所以限速器的制造质量、选型、校验、维护保养、检测设备的制造质量及正确操作,直接影响电梯的安全使用。

系统的控制核心采用的是可编程控制器。PLC[1]是以微处理器为基础,综合了计算机技术、自动化技术和通信技术发展起来的一种通用工业控制装置。20世纪80年代中、后期以来,随着自动控制、计算机、通信、网络等技术的发展,PLC己经发展成为一种可提供逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能的多功能控制器。在电梯限速器测试系统中,PLC充分发挥了其配置灵活、控制可靠、编程方便等优点,大大提高了整个电梯系统的可控性和稳定性。

1 限速器测试台系统总体设计方案

利用PLC代替传统的继电控制系统,由伺服系统实现对电梯限速器测试台的拖动调速,使PLC与调速拖动装置相结合,构成PLC集选控制系统。实验电梯系统的总体方案设计框图如图1所示:

电梯限速器作为电梯最主要的机械安全部件,其功能是检测电梯轿厢运行速度是否超过规定的运行速度,当轿厢运行速度达到限定的速度时,首先使限速器动作并通过其带动电梯的安全钳动作,从而制动电梯的轿厢。由此可见,限速器对保障电梯运行的安全是非常重要的。

1.1 限速器涨紧原理

通过装在直流伺服电机主轴上的橡胶轮驱动放在工作台上的限速器绳轮,同时通过将主轴上装有橡胶轮的编码器通过弹簧力靠在限速器绳轮钢丝绳槽中来检测限速器。

本限速器测试台用到四种凸轮式限速器,适用于电梯额定速度在0.5～lm/s以下的低速梯。当电机逆向转动时,限速绳带动限速轮1作顺时针旋转,限速轮内有一五边形盘状凸轮2,限速轮转动时,五边形盘状凸轮的轮廊线处,与装在摆动挺杆上的限速胶轮8,凸轮轮廊线上径向的变化,使挺杆10猛烈的摆动,由于限速轮轴的另一端被限速器拉簧6拉住,在额定速度范围内,使挺杆右边的棘爪与棘轮上的棘齿脱离接触。当轿厢超速达到规定的超速值时,凸轮转速加快,圆周上离心力增加,使挺杆摆动的角度增大到使棘爪与棘轮上的棘齿相啮合,限速器轮被迫停止转动。

1.2 限速器测试台系统的功能

(1)系统结构模型:本限速器测试系统包括:三菱伺服放大器、伺服电机、PLC、PLC模拟量输出扩展模块、2个旋转编码器、2个接近开关。为了便于实验调试及能直观的观察输出量,本设备特意配备了触摸式工控机、工业键盘和激光打印机。

(2)速度采集:该限速器测试系统通过旋转编码器来实现对限速器速度的采集,PLC通过内置高速计数模块,接受旋转编码器的脉冲计算电梯运行的速度。

(3)驱动控制:该限速器测试系统通过PLC控制及伺服电机调速等能达到对运行速度的实际控制,通过控制伺服电机的转速实现对速度的调节。

2 系统通信研究

2.1 数据通信

数据通信就是将数据信息通过适当的传送线路从一台设备传送到另一台设备。这里的设备是指计算机、PLC、打印机或者其他有数据通信功能的外围设备。由于计算机及其所支持的终端设备的使用越来越广,因而数据通信也称为计算机通信。数据通信系统就是以计算机、PLC或者其他数字设备为中心,用通信线路连接分散在不同位置的数字设备,实施数据通信的一种系统。它一般由传送设备、终端设备、输送线路和调制解调器组成。数据通信系统的任务就是要高效率地完成数据的传送、信息交换和通信处理。数据通信[2]主要有并行通信和串行通信两种。

2.2 通信协议

所谓通信协议[3]是指通信双方的一种约定。约定包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定,通信双方必须共同遵守。因此,也叫做通信控制规程,或称传输控制规程,它属于ISO'S OSI七层参考模型中的数据链路层。目前,采用的通信协议有两类:异步协议和同步协议。

三菱FX系列PLC本机无串行通信能力,为得到这个功能需外扩FX232-BD或FX485-BD通信模块,其中FX232-BD为RS-232通信方式FX485-BD为RS-485通信方式。

3 限速器的速度采集

本课题要求实现对限速器测试台速度的采集,必然要用到编码器[4]。本实验所用的编码器是欧姆龙公司生产的,型号为E6B2-CWZ6C型,是旋转编码器。一般控制电机转速的方法是转速闭环控制:通过旋转编码器检测电机转速,检测信号送回控制设备(PLC),控制设备计算转速的误差值,并进一步调整输出值,改变电机的电压或电流,从而使电机转速稳定在某个设定值。

3.1 速度采集算法

常用的测速方法有两种:M法和T法[5]。

1.M法测速:M法又叫定时测角法,即在规定的时间间隔Tg内,测量所产生的脉冲数来获得被测速度值。设脉冲发生器每转一圈发出的脉冲数为P,且在规定的时间Tg(S)内,测得脉冲数为m1,则电机每分钟转数:

2.T法测速:T法又叫定角测时法,即测量相邻两个脉冲的时间间隔来确定被测速度的方法。用一己知频率为fc的高频时钟脉冲向一计数器发送脉冲数,此计数器由测速脉冲的两个相邻脉冲控制其起始和终止。若计数器的读数为m2,则电机每分钟的转速为:

3.2 速度采集的实现

PLC一般都有高速脉冲输入端或高速专用计数单元。因而在电梯PLC控制系统中,可使用旋转编码器检测电梯运行过程中电机的实时转速,并将所测的结果反馈给PLC处理。

本实验所用到的旋转编码器型号为E6B2-CWZ6C,有4条引线,其中2条是脉冲输出线,1条是COM端线,1条是电源线。旋转编码器的A,B两相相差90度,可通过比较A相在前还是B相在前,以判别编码器的正转与反转,如图2所示。

4 测试结果

旋转编码器与PLC相连接,PLC通过在一定时间内测得编码器的脉冲数,将其转换为实时的转速,根据实时转速来实现相应控制量的输出。

测试结果显示:在每一次运行后,系统均能自动判断是否合格,合格判定的根据是GB7588-2003,如不合格此次运行数据会在显示5秒种后自动删除,只有在判断为合格数据后,系统才能保留此次测试运行数据。只有在合格测试次数达到规定后,系统才能判定该限速器合格。每一次合格数据会有对应的柱行图直观显示出来。

5 结论

本论文以电梯限速器测试系统为研究对象,重点研究了限速器测试装置的速度采集以及驱动控制。为了实现预期结果,首先要从限速器的各部件进行研究。我所用到的测试台来自常州宇科新技术开发公司,包括:工控机、三菱FX1N系列PLC、旋转编码器、伺服放大器、伺服电机和激光打印机组成。利用目前比较成熟的先进控制技术,软件技术,现代测试技术等先进技术,来开发出用于限速器检测,具有国际先进水平的检测设备。通过对不同型号和不同速度的限速器进行比较测试验证,将结果由系统附带的激光打印机打印出来,结果显示该测试设备完全达到设计要求的性能指标。该限速器测试设备在测试功能、测试范围、测试精度等主要性能方面性能优秀,能实现全部以上功能。

参考文献

[1] 陈苏波,杨俊辉,陈伟欣,常春藤.三菱PLC快速入门与实例提高. 北京:人民邮电出版社 2008,33-87

[2] 陈卓.PLC与上位计算机通信监控系统的研究与应用[D].重庆:重庆大学,2004

[3] 蒋金周.实验电梯控制系统的设计与研究[D].南京:南京理工大学,2006

[4] 陈密.多功能电梯限速器自动检测设备的研发[D].上海:上海交通大学,2007

速度采集 篇2

关键词：三轴加速度传感器；行为监测；无线传感器网络

中图分类号：TP274+.2 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）07-0434-03

动物行为能一定程度反映动物机体对环境的适应情况，是动物福利评价的重要指标，因此定量测量动物的行为具有重要意义，将以加速度传感器为主的采集节点的设计用于运动行为监测方面具有一定应用价值。

三轴加速度传感器在人体运动行为、能量消耗等方面的应用研究开展比较早[1]，常将传感器节点做成穿戴式[2]，戴在手腕上[3]、腰部或是内嵌到特制的衣服、鞋里面[4]，同时测量x、y、z 3个轴的加速度值，来判断人体的手臂和走步姿态及用于检测老人的跌倒行为[5-6]。但在动物行为监测方面的应用相对较少。2010年，Cornou等开始利用布带把三轴加速度传感器和蓝牙模块固定在母猪颈部，将采集到的运动信息传输给PC机进行行为分类[7]。国内华南农业大学尹令等以牛作为研究对象，基于三轴加速度传感器开发了无线传感器网络进行奶牛行为特征监测，用于判断奶牛发情和疾病状况[8]。南京农业大学刘龙申开展了母猪产前行为监测的研究，通过站卧姿态变化次数和筑窝行为来预测母猪的分娩时间[9]。

本研究利用三轴加速度传感器MMA7361与无线发射模块CC2430设计了1个运动信号的采集节点，实现对动物个体日常活动的数据记录，为进一步数据的传输和行为模式分析提供基础数据保障。

1 系统网络结构

个体行为的无线监测网络由无线传感器网络、GPRS/3G网络和监测中心组成（图1）。传感器节点作为无线传感器网络中的数据源，节点上配有MMA7361，可布置在监测个体身体的任意位置，便于用布带固定在动物颈部或脚踝处，实现对个体运动参数的采集。网关节点汇聚来自传感器节点的数据，并通过GPRS/3G网络发送给监测中心的服务器进行进一步行为分析。

2 模块的选择和确定

2.1 加速度传感器

基于运动行为监测系统的设计需要，加速度传感器要采集各监测对象的实时加速度值。根据加速度传感器灵敏度及功耗的需要，在无线加速度传感器网络节点的设计中需要选择一款体积小、质量轻、低功耗、便于佩戴的高灵敏度加速度

传感器。经过对同类传感器各方面的比较，本研究選用了MMA7361三轴加速度传感器。

MMA7361L[10]是飞思卡尔公司（Freescale）推出的一款超低功耗、小型电容式的微机械加速度传感器，可提供模拟电压输出的x、y和z三轴加速度传感器。该传感器可以采用 15 g 或6 g灵敏度重力选择模式，具有信号调理、一阶低通滤波、温度补偿、自检、带有线性自由落体检测和零重力检测等功能。工作电压为2.2～3.6 V，工作电流为400 μA，设置为睡眠模式时工作电路仅为3 μA。通过MMA7361L可以测量出任意时刻3个方向的加速度分量。

2.2 ZigBee模块

CC2430[11]是一颗真正的系统芯片（SoC）CMOS 解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4 GHz ISM 波段应用对低成本、低功耗的要求。它结合1个高性能2.4 GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和1颗工业级小巧高效的8051控制器。

CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有32/64/128 kB 可编程闪存和 8 kB 的RAM，还包含模拟数字转换器（ADC）、几个定时器（timer）、AES128 协同处理器、看门狗定时器（watchdog timer）、32 kHz 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路（Power On Reset）、掉电检测电路（brown out detection）以及21 个可编程I/O 引脚。

CC2430芯片采用0.18 μm CMOS 工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27、25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

3 加速度传感器节点硬件设计

考虑到加速度传感器节点的通用性，采用模块化设计思想设计硬件，节点的结构框如图2所示。由此可见，整个节点的设计由4部分组成，该平台利用RF射频芯片和CC2430处理芯片，工作在2.4 GHz，支持低功耗无线通信协议IEEE 802.15.4，采用8位低功耗微处理器，通过A/D接口采集MMA7361三轴加速度数据，并即时发送给网关节点。数据采集速率为40 Hz，无线数据收发速率为250 kbps。

如图3所示，三轴加速度传感器的输出信号为0～3.3 V的模拟电压信号，通过外接几个去耦电容以及滤波电容后直接接入无线单片机CC2430的模拟输入端口P0_5、P0_6、P0_7进行3个方向的加速度值的采集；为了调试、测试阶段的方

便，在无线传感器节点系统中设计了相应的电源指示灯D1、电源报警灯D2以及节点建网/入网指示灯D3；此外，在实验室设计阶段整个无线传感器节点的电源由5 V的可充电锂电池组成的电源模块提供。

4 节点软件设计

无线加速度传感器网络节点的软件设计主要是用户根据项目的实际需要在协议栈的应用层开发自己的用户程序。为了满足运动行为监测系统实际运行的需要，根据监测对象的距离，在被测对象身上布置无线加速度传感器节点，在动物畜舍内布置网关节点。无线加速度传感器网络节点的具体软件功能是：网关节点建立1个局域无线加速度传感器网络，网内短地址固定为0x0000，主要负责数据包的路由以及间接消息的转发；加速度传感器节点加入相应的无线加速度传感器网络，终端节点在接收到网关节点发送的采集数据命令后，定期向网关节点发送自己采集的3个方向的加速度值。为了减小系统功耗，网关节点在定时时间未到时处于低功耗状态（睡眠状态），加速度节点在未收到采集加速度传感器数值命令时也处于低功耗状态（睡眠状态）。

nlc202309041633

5 试验和结果分析

2013年12月12日到19日在江苏省金坛市永康农牧科技有限公司进行现场试验，选用12头长白母猪为试验对象，实物如图4所示，将传感器节点利用松紧带固定在母猪颈部下方进行24 h监测，母猪佩戴節点后无异常反应。实时采集到的数据以图5方式显示。

试验结果表明，加速度传感器节点能够不间断采集三轴加速度的数值，在特定时间内，母猪的行为模式和运动量趋于稳定，当活动量加剧或减少及异常行为出现时，可作为妊娠、分娩、疾病等情况的识别特征，该节点也可用其他牛、羊等大家畜的行为、位移、步数等数据量记录。

6 结论

本研究以三轴加速度传感器MMA7361和无线射频模块CC2430为核心，通过移植协议栈设计了1款新型的无线加速度传感器网络节点，可以方便组建低成本、低传输速率、高效率的无线网络，实现对各个对象动作的实时监测。在永康猪场配对测试发现，无线加速度传感器节点以及无线传感器网络性能稳定，具有较低的丢包率以及较低的成本，可以广泛应用于家畜（猪、牛、羊）行为监测和运动能量的前期数据采集。

参考文献：

[1]Sekine M，Tamura T，Ogawa M. Classification of acceleration waveform in a continuous walking record[C]//Engineering in Medicine and Biology Society. Proceedings of the 20th Annual International Conference of the IEEE，1998：1523-1526.

[2]Nurmi P，Floréen P，Przybilski M，et al. A framework for distributed activity recognition in ubiquitous systems[C]. Las Vegas，USA：International Conference on Artificial Intelligence，2005：650-655

[3]Mathie M J，Coster A C，Lovell N H，et al. Accelerometry：providing an integrated，practical method for long-term，ambulatory monitoring of human movement[J]. Physiological Measurement，2004，25（2）：R1-R20.

[4]Morris S J，Paradiso J A. Shoe-integrated sensor system for wireless gait analysis and real-time feedback[C]. 24th Annual Conference and the Annual Fall Meeting of the Biomedical Engineering Society EMBS/BMES Conference， Proceedings of the Second Joint，2002：2468-2469.

[5]赵 伟，周玲玲. 加速度传感器在笔记本电脑中的应用[J]. 电信快报，2008（5）：37-39.

[6]Iso T，Yamazaki K. Gait analyzer based on a cell phone with a single three-axis accelerometer[C]. Helsinki，Finland：MobileHCI，2006.

[7]Cornou C，Lundbye-Christensen S，Kristensen A R. Modelling and monitoring sows activity types in farrowing house using acceleration data[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2011，76（2）：316-324.

[8]尹 令，刘财兴，洪添胜，等. 基于无线传感器网络的奶牛行为特征监测系统设计[J]. 农业工程学报，2010，26（3）：203-208，彩插四.

[9]刘龙申. 母猪行为体征实时监测系统关键技术研究与实现[D]. 南京：南京农业大学，2013.

[10]Freescale Semiconductor. ±1.5 g，±6 g three axis low-g micromachined accelerometer[EB/OL]. [2014-07-01]. http：//cache.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MMA7361L.pdf.

[11]TI. CC2430 software examples users guide[EB/OL]. [2014-07-01]. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ug/swru 178b/swru178b.pdf.

速度采集 篇3

1.1 传感器标定的意义[1]

任何一种传感器在制造,装配完毕后都必须对原设计指标进行一系列试验,以确定传感器的实际性能。传感器的性能标定是通过试验建立传感器输入量与输出量之间的关系。同时确定出不同条件下的误差关系。传感器的标定分静态标定和动态标定两种。静态标定主要用于检验,测试传感器的静态特性指标,如静态灵敏度、线性度、迟滞和重复性等。动态标定主要用于检验,测试传感器的动态特性,如动态灵敏度、频率响应等。标定的方法是利用一种标准设备产生已知非电量作为输入量,输入至待标定的传感器中,得到传感器的输出量,然后将传感器的输入量与输出量的标准量作比较,从而得到一系列的标定曲线。

1.2 基本设计原理及框图

在以往的传感器标定中,主要是位移的采集比较困难。是通过读数显微镜和数据采集开关相结合,有测量误差大、速度慢、费工费时等缺点[2]。加速度传感器标定的数据自动采集系统,主要有两部分。第一部分由振动台、千分尺、半导体激光器、待测传感器、光电二极管构成的传感器振幅采集部分。先确定夹缝的大小,随振动的变化,夹缝逐渐减少,当激光衍射时,记下该时刻的振幅值。根据(a=ω2x(ω为振动器的振动频率,x为振动位移),以求得其加速度a[3]。第二部分是由电压放大电路、A/D转换、单片机、LED和延时电路构成的电压采集部光电二极管接收到光,向单片机发送请求信号,单片机接到信号后向ADC0809发送允许信号,启动A/D,ADC0809开始数据转换,将转换后的数据经单片机处理后送入到LED数码管中显示出来。然后利用数据采集系统采集到的数据(a,v)来标定传感器的输出电压与输入的加速度之间的关系。整个系统的设计框图如图1所示。

2 位移采集的装置示意图

位移采集系统的基本装置如图2。可分为三部分:第一部分是振动部分,给振动器输入一定的电压使其振动,并使得夹缝下挡板和待测传感器随之一起振动,振动器的加速度即是输入加速度传感器加速度。第二部分是激光衍射装置,发光装置采用现在最普遍的半导体激光器砷化镓(Ga As)激光器。激光束通过夹缝直线传播,改变振动台的输入电压,即改变振幅。夹缝将随着振幅的增大而逐渐减少,当夹缝的大小减少到几乎等于光波的波长时,激光束将发生衍射。这时光电二极管接收到光而产生光电流,导通电压采集装置,采集下该时刻传感器的输出电压。(注意:半导体激光器要与夹缝下挡板的上平面在同一平面上,使光线能平行通过。而光电二极管的位置则要比夹缝的上平面偏低,确保二极管在激光束没有发生衍射时无法接受到光线)。第三部分是位移读取部分。通过调节夹缝下挡板的位置,确定夹缝的宽度,随着夹缝的减少,直至发生衍射时,读取千分尺的值,即振动的最大相对位移。根据a=ω2x可以得到我们所要求的加速度。再调节千分尺的微调旋钮,改变夹缝的大小,重复上述过程进行第二次数据采集。通过不断地调节千分尺所带动的夹缝上挡板与夹缝下挡板之间形成的夹缝的宽度,再配合改变振动平台的激励电压(以得到不同的振幅),进行不同的a、v数据对采集,完成对标定数据的采集。

导体激光器5.夹缝上挡板6.光电二极管7.夹缝下挡板8.待测加速度传感器9.振动盘10.波纹膜片11.振动台12.夹缝

3 电压采集系统

3.1 传感器的电压放大电路[4]

在该系统中,选用最简单的基本共射放大电路作为电压放大电路。

根据基本共射放大电路原理,传感器的输出电压作为输入电压Ui,可得:

χ——共发射极直流电流放大系数。

则放大电压为:

3.2 电压采集系统电路

3.2.1 ADC0809与加速度传感器电压信号转换的原理

这里我们给ADC0809提供2.5V的基准电压信号。ADC0809采集的电压即是传感器的输出电压放大后的电压U0作为电压采集信号。当送入1.88V到ADC0809转换器的电压U0为1.88V时,转换的数字量dat为:

解得:dat=193

送入1.27V的电压信号到ADC0809转换器中,转换的数字量dat为:

解得:dat=130

输出的电压值通过A/D转换变成与之适应的数字量,就可以通过单片机来处理。

3.2.2 系统整体电路及说明

本系统整体规划如下,主要由主控芯片AT89C51,8位逐次逼近式A/D转换芯片ADC0809,LED显像管组成。单片机的P27和WR、RD经逻辑组合后控制ADC0809的ALE、START、OE,ADC0809的通道选择端A、B、C接单片机的地址低3位。3.1中的放大电压U0经过一个延时电路送入到A/D转换器的IN0口。P24在系统中作为控制位,用光电二极管控制。当光电二极管接受到光,向单片机发送请求信号,单片机发送一个控制信号给ADC0809,启动A/D,开始对放大电路传输过来的传感器的该点的放大电压U0进行A/D转换,在显示管上显示出来。显示的量为转换后的数字量dat,根据3.2.1中的式(4)可算出模拟量U0,即该时刻放大后的传感器的输出电压。

3.3 软件设计

显示模块的程序设计如图4所示,主控程序如图5所示。

3.4 电压数据处理

由于最后显示管上显示的是电压经过A/D转换后的数字量,而非电压模拟量,所以我们必须对数字量进行处理后才能得到我们所要测量的值。根据3.2.1 ADC0809与加速度传感电压信号的转换原理式(4)

256/dat=2.5/U0

则有:U0=2.5*dat/256(6)

U0——放大后的传感器输出电压;

dat——电压经A/D转换后的数字量。

因为传感器的输出电压极小,所以我们在数据采集之前对电压进行了放大,根据3.1.1中的结论式(3)

根据式(6)和式(7)可得Ui,即加速度传感器的输出电压。根据相对应的a、V关系,经最小二乘法作数据处理后,即可给出a、V关系曲线,完成标定。

4 结束语

本设计主要以通过数据自动采集来实现加速度传感器的输入加速度与输出电压的关系的标定为目的。利用该系统可以快速准确地对加速度传感器的输出电压与加速度之间的关系进行标定。该系统与传统的方法相比具有数据采集自动化程度高、误差小、标定快速等优点。但对延时电路及数据精确的提高需要做进一步的研究。

参考文献

[1]王化祥,张淑英.传感器原理及应用(修订版)[M].天津:天津大学出版社,1999.

[2]刘理天,温明生,吴徽,等.硅加速度计动态I/O特性的标定和数据采集[J].吉首大学学报,2002,21(4):36-40.

[3]程守洙,江之永.普通物理学[M].北京:高等教育出版社,1998.

速度采集 篇4

学生是教学活动的主体, 课堂教学是学生学习过程中最重要的一个环节。学生在教学活动中主体作用发挥的如何, 直接影响教学质量的高低。而监测学生的学习行为是分析学生学习过程的最有效、最直接的方法。因此, 通过采集并记录学生的学习行为来研究和分析学生的学习现状, 有针对性地加以解决, 是提高人才质量的关键。现有的人体行为特征识别装置和方法主要应用于医学领域, 安全领域, 运动领域等。如在医学领域, 通过分析患者的特征行为了解其症状[1,2];在安全领域通过在高敏感地区分析人体的异样行为判断其有无危险[3,4]在运动领域的各种计步器, 通过对人体步伐的计数来分析人体的运动量等[5,6]。但这些已经公开的装置与方法均不能针对学生学习行为进行采集和分析。

本文提出一种基于加速度传感器的学生学习行为采集与分析系统。该系统能够自动对学习行为进行分析与记录, 帮助家长和老师及时掌握学生的学习情况, 为分析学生在课堂上的表现提供硬件基础;同时便于携带, 不影响学生的身体健康。

1系统总体设计

本文提出的学生学习行为采集与分析系统由外部计算机和学习行为数据实时自动记录装置连接构成, 如图1所示。外部计算机能够为系统设定正确的日期、时间、课程表以及学生姓名、学号等信息;在系统初始化时将课程表以及每堂课的上课时间和下课时间、学生姓名和学号同步至学习行为数据自动记录装置。

学习行为数据实时自动记录装置固定在人体的腰部, 能够自动记录人体腰部运动产生的加速度变化及发生的时间, 同时通过对记录数据的智能分析, 确定动作类别, 并将分析结果传递至外部计算机进行进一步分析。学习行为数据实时自动记录装置由动作采集单元、智能分析与处理单元、存储单元、时钟单元和通信单元连接构成, 智能分析与处理单元通过其输入输出端口分别与动作采集单元、存储单元、时钟单元以及通信单元相连接。

2系统主要单元模块分析

(1) 动作采集单元。动作采集单元采用加速度传感器, 人体不同类型的运动方式, 对应于腰部均会产生不同的加速度变化, 当装置开启后, 加速度传感器处于采集状态, 用于感应人体腰部是否产生运动;若有运动, 则加速度传感器输出动作信号。

(2) 时钟单元。时钟单元为整个装置提供年、月、日、时、分、秒时间信息, 为加速度传感器采集到的行为数据提供时间标记, 其能够在系统电源中断状态下保持正常工作。

(3) 存储单元。存储单元通过非易失性存储器存放系统配置信息、学习行为分类特征库以及学习行为特征分析结果。其中系统配置信息包括学生姓名、学号、课程表、每堂课的上课及下课时间、装置自动开启时间和自动关闭时间;学习行为分类库在初始条件下包括跑、跳、走路、晃动、起立、坐下等6种类别的动态活动以及站立、静坐和平躺等3种静态姿势, 是一个可更新、可升级的行为信息特征分类库, 它通过机器学习方法分析学习样本而获得。首先采集一些行为动作的样本数据, 用机器学习的方法分析这些样本并提取特征值后可形成学习行为分类特征库, 采集到的行为数据在经过分帧和计算特征值后, 通过与学习行为分类特征库进行比对, 可得出该行为的类别。

(4) 智能分析与处理单元。智能分析与处理单元接收加速度传感器产生的中断信号, 并对其进行响应, 将获得的运动数据按照要求添加时间标签后保存到存储单元;同时对获得的运动数据进行短时距分析, 计算出动作发生的频率、每段动作的持续时间以及动作强度等特征参数;之后其采用模式分类智能算法或者其他的算法将分析结果与存储单元中的学习行为分类特征库中的样本进行比对, 确定行为类别。

(5) 通信单元。通信单元同时还与外部计算机连接, 其包含有USB接口、蓝牙、wifi、GPRS、Zigbee等有线或无线通信模块, 可以将处理结果传输至外部计算机, 并接收外部计算机发来的指令, 同时能够实现存储单元中的配置信息的设置以及学习行为分类特征库的更新和升级。

3实验结果

随机选取10名15-25岁年龄阶段的学生作为志愿者, 将本文所述的学习行为数据实时自动记录装置固定在学生的腰部, 令他们分别做出9种在课堂和课间常见的动态活动和静态姿势, 包括跑、跳、走路、晃动、起立、坐下、站立、静坐和平躺。每种动作或姿势持续时间均为两分钟。动作采集单元中的加速度传感器以恒定的速率采集3轴线性加速度和3轴角速度值, 采样频率为50Hz。采集到的数据样本随机分成两组, 其中70%的数据作为训练数据, 由智能分析与处理单元进行分析与处理, 最终形成学习行为分类特征库并保存到存储单元。剩下30%的数据作为测试数据, 由智能分析与处理单元进行分析和处理并与存储单元中的学习行为分类特征库进行比对, 比对过后得出该测试数据隶属于学习行为分类特征库中每一种动作或姿势的概率。对应概率最大的动作或姿势类别即判断为该测试数据的行为类别。选取其中两名志愿者的测试数据列举如表1和表2所示。其中每一行为志愿者在不同时间点隶属于不同动作或姿势类别的概率。分类结果与实际行为类别一致。经计算得出, 测试数据的平均分类正确率为93.4%。

4结语

本文提出一种基于加速度传感器的学生学习行为采集与分析系统。在不影响学生正常的学习与生活的情况下, 自动对学习行为进行分析与记录, 受周围环境影响较小, 适应性较强。将学习行为数据实时自动记录装置固定在学生的腰部, 通过采集单元中的加速度传感器, 自动获得人体行为数据, 并通过数据分析进程, 实现学习行为的分类, 并自动将分析结果按照类别存入存储器中, 避免了需要给人体多个部位均佩戴采集装置的不便与不适。结合外部分析程序对本系统采集到的数据进行分析, 可以帮助家长和老师及时掌握学生的学习情况, 分析学生的性格特征及学习行为习惯, 为学生的健康发展提供正确引导, 达到避免偏科, 德智体全面发展的目标, 为科学教育提供支持。

参考文献

[1]崔晓明.基于模式识别的研究方法在运动医学研究中的应用展望[J].西安体育学院学报, 2007, 24 (3) :72-75

[2]刘宗祥.人体运动过程中的医学生理负荷的研究[J].科技通报, 2014 (02) :25-26

[3]桑海峰, 郭昊, 徐超.基于运动特征的人体异常行为识别[J].中国科技论文, 2007, 24 (3) :812-816

[4]朱旭东, 刘志镜.基于主题隐马尔科夫模型的人体异常行为识别[J].计算机科学, 2012 (03) :251-255

[5]陈国良, 张言哲, 杨洲.一种基于手机传感器自相关分析的计步器实现方法[J].中国惯性技术学报, 2014 (06) :794-798

速度采集 篇5

1 技术背景

回转头压力机的送料系统可以分为X、Y两个运动方向, 两方向的主流送料系统规格分别为2500mm×1250mm和2500mm×1500mm。其传动形式有伺服电机带动滚珠丝杠以及伺服电机带动齿轮齿条两种主要形式。其中各个运动方向都配合有直线导轨滑块作为运动部件的导向。

本测试样机采用伺服电机直接驱动滚珠丝杠形式传递动力。在X方向采用一根直线导轨进行导向,在Y方向采用四根直线导轨进行导向。

送料系统Y方向包括固定设置在支撑底座上的Y轴导轨、Y轴电机座和Y轴轴承座,在Y轴导轨上设置有沿Y轴导轨滑动的Y轴滑块,在Y轴电机座上固定Y轴电机,横梁座与Y轴滑块固定连接并通过Y轴导轨和滑块进行导向。

送料系统X方向运动机构包括X轴电机,X轴丝杠通过X轴联轴器与X轴电机连接,和X轴丝杠配合的X轴丝母;在横梁上设置有X轴电机座和X轴轴承座。X轴丝杠两端通过X轴电机座和X轴轴承座来固定,X轴丝母通过螺钉与联接座联接,联接座带动溜板沿X方向运动,溜板通过X轴导轨和X轴滑块进行导向,联接座与溜板通过螺钉联接,夹钳固定在溜板上并夹持板料随着溜板沿X方向运动。

2 测试平台介绍

本次加速数据均在虚拟仪中进行采集。采集和数据分析系统采用美国NI公司的PXI机箱和嵌入式PXIe控制器为系统运行平台,选择加速的测试采集功能模块实现加速度信号的数据采集,系统模块化程度高,可靠性高。PXI是一种基于PC技术的平台,是一种专为工业数据采集与自动化应用量身定制的模块化仪器平台。PXI为测量和自动化系统提供了高性能、高坚固性、低成本的配置方案。作为一种公开的标准化工业测控平台,PXI已经在电子产品测试、航空航天、汽车、能源电力、通信等领域获得了广泛应用,并且得到了包括NI、Agilent、Pickering在内的主流测试测量设备厂商的支持,已成为主流的模块化仪器平台。

本系统主要包括传感器、数据采集系统、系统软件等部分。系统使用了PXI机箱加固装置和外挂式机箱显示套件。系统的外观效果图如图1 所示。

通过Lab VIEW对各个测量项目进行设计,如图2 所示。

3 加速度测量

加速度测量采用加速度传感器进行,通过在X方向和Y方向上布置加速度传感器,可方便地对加速度信号进行采集。将加速度传感器输出的电压信号采集到虚拟仪中,可方便地进行加速度数据的实时采集。

3.1 X运动方向加速度测试

X轴加速度的测试对象为X轴溜板。测量时Y轴保持静止,分别对倍率、步距进行测试对比,测量数据记录如表1 (见下页)所示。

结果分析:

(1) 对比A1、A2、A3 一组,A4、A5、B3 一组,A6、B4 一组,以及A7、B5 共四组数据可直观地看到,倍率提高后,加减速的加速度最大值均变大;两组数据之间横向对比,亦可看出步距增加后,倍率的改变对加速度幅值的影响更为明显。

(2)对比B1~B5 可直观看到,步距增加后,加减速的加速度最大值逐步增加,当步距为200mm时,加减速的加速度最大值反而减小,这是因为步距较大,运行时间跨距长。

(3)A6、A7 的波形中均可看到,一个步距周期中,加速度有两段为0 的时间段,其中前一段为加速后匀速运行的时间段,后一段为X轴停止,冲压的时间段;出现这样的波形是因为步距较大,倍率25%最小,工作频率小,因而出现匀速运动的波段。

3.2 Y运动方向加速度测试

Y轴加速度的测试对象为横梁,测量时,X轴保持静止,分别对倍率、步距进行测试对比,测量数据记录如表2(见后页)所示。

结果分析:

(1)对比A1、A2、A3 一组,A4、A5、B3 一组,A6、B4 一组,以及A7、B5 共四组数据可直观地看到:第一组的倍率提高后,加速度加减速的幅值变化很小,其他三组的加速度加减速的幅值均随着倍率的增大而变大。两组数据之间横向对比,亦可看出步距增加后,倍率的改变对加速度幅值的影响更为明显(200步距的数据对比不具有参考性,因为步距较大,倍率的影响因时间长而相应减弱)。

(2)对比B1~B5 可直观看到,步距增加后,加减速的加速度最大值逐步增加,当步距为200mm时,加减速的加速度最大值反而减小,这是因为步距较大,运行时间跨距长。

(3)A6、A7 的波形中均可看到,一个步距周期中,加速度有两段为0 的时间段,其中前一段为加速后匀速运行时间段,后一段为X轴停止,冲压的时间段;出现这样的波形是因为步距较大,倍率25%最小,电机功率小,因而出现匀速运动的波段。

4 结论

依托加速度传感器的数据收集功能以及虚拟仪的数据采集以及分析功能,对回转头压力机送料系统进行加速试验,分别对X轴、Y轴的加速度数据进行采集。对采集到的数据通过DAQ on Demand数据采集软件进行分析,可明确地了解到回转头压力机工作时送料轴的加速性能,对于提高回转头压力机的送料速度和送料稳定性有很重要的意义。

参考文献

[1]蒲良贵,纪明刚,主编.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2001.

[2]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社.2008.