一种基于声音的指向性测量物体转动角速度的方法及装置与流程

1.本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种基于声波的指向性测量物体转动角速度的方法及装置。


背景技术：

2.对物体的转动角速度是一个经常需要测量的物理量，通常使用旋转编码器，霍尔传感器等测量方式作为测量手段，但这种手段要求测试仪器和被测量目标位置相对固定；对有相对空间移动的物体的转动角速度测量，通常使用角速度传感器（mems陀螺仪），但是 mems陀螺仪为模拟器件，其精度受到环境温度、加工精度、电磁噪声等因素影响，还需要繁琐的校准过程，很难保证高精度测量的场合。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中的对物体转动角速度测量的问题，本发明提供了一种基于声波的指向性测量物体转动角速度的方法及其装置，克服了上述问题，具有精度高，安装简单，适用范围广的特点.本发明提供了一种基于声波的指向性测量物体转动角速度的方法及装置。
4.根据本发明的一个方面，提供了一种基于声波的指向性测量物体转动角速度的方法，包括：根据被测物体旋转的特点将其分类为有固定转动轴和无固定旋转轴心两类：针对有固定转动轴的被测物体，固定安装具有指向性的声波源到所述被测物体上，其安装方向为声波指向轴心垂直于且方向背向于所述被测物体的旋转轴；针对无固定转动轴的被测物体，固定安装三个具有指向性的声波源到所述被测物体上，其安装方向为声波指向轴心相互垂直且方向背向于所述被测物体；使所述声源发出声波并转动所述被测物体；测量周围空间的声压场变化的频率，按照如下公式计算得到所述被测物体对应时刻转动平均角速度w：w=2πf式中：π表示圆周率，f表示所述测量周围空间的声压场变化的频率；或者测量周围空间的声压场变化的周期按照如下公式计算得到所述被测物体对应时刻转动平均角速度w： w=2π/t式中：π表示圆周率，t表示所述测量周围空间的声压场变化的周期。
5.可选的： 针对无固定转动轴的被测物体，固定安装三个具有指向性的声波源到被测物体，所述声波源为三个频率不同的声波源。
6.可选的：所述声波源发出的频率和幅值固定的正弦波声波。
7.进一步可选的：所述声波源发出的频率和幅值固定的正弦波声波，其频率范围为
10k
‑‑
20k赫兹。
8.可选的：在测量过程中，所述被测物体以恒定的角加加速度转动。
9.进一步可选的：在测量过程中，所述被测物体以恒定的角加速度转动。
10.可选的：测量周围空间的声压场变化的频率或周期的采用的方法：测量频率方法：采集所述声压场变化数据，经过傅里叶变换得到幅值最大点的频率即为声压场变化频率；测量周期方法：采集所述声压场变化数据，绘制声波的包络线，得到包络线幅值的变化周期即为声压场变化周期。
11.根据本发明的另一个方面，还提供了一种基于声波的指向性测量物体转动角速度的装置，包括至少一个声波发生模块和至少一个声波接收模块；所述声波发生模块用于发出有指向性的声波，所述声波发生模块包括声波发生单元和第一微处理器，所述第一微处理器控制所述声波发生单元发出预先设定的有定向性的声波；所述声波接收模块用于检测声压场的变化，并计算出被测量物体的旋转角速度；所述声波接收模块包括声波检测传感器、第二微处理器和输出接口，所述第二微处理器接收所述声波检测传感器输出的电电信号压，经过运算得到测量结果，输出给所述输出接口；结合所述声波发生模块和所述声波接收模块检测物体转动角速度过程，包括：针对有固定转动轴的被测物体，安装所述声波发生模块到被测物体上，其安装方向为声波指向轴心垂直于且方向背向于被测物体的旋转轴；针对无固定转动轴的被测物体，安装三个所述声波发生模块到被测物体上，其安装方向为声波指向轴心相互垂直且方向背向于被测物体；所述声波发生模块发出所述指向性声波的情况下，旋转所述被测物体；放置所述声波接收模块在所述声波发生模块产生的声源场变化超过设定阈值的空间点；所述声波检测传感器测量出所述声波的声压场变化值并转换成对应的电信号传输给所述第二微处理器，所述第二微处理器采集所述电信号、经过傅里叶变换得到幅值最大点的频率、以二倍圆周率乘以所述幅值最大点的频率的值即得到对应时刻被测物体旋转角速的值；或者所述声波检测传感器测量出所述声波的声压场变化值并转换成对应的电信号传输给所述第二微处理器，所述第二微处理器采集所述电信号、绘制包络线、得到包络线幅值变化周期、以二倍圆周率除以所述幅值变化周期的值即得到对应时刻被测物体旋转角速的值。
12.可选的：所述的声波发生模块包括声波发生单元，在所述声波发生单元声波指向轴方向还设置有聚音罩或号角，用于加强声波的指向性。
13.可选的：所述的声波发生模块，还包括声波设置接口，所述声波设置接口与所述控制单元电气连接。
14.本发明的有益效果是：本发明利用声音的指向性原理，通过把指向性声源安装到被测量物体上，通过转动被测量物体来改变周围的声压场，通过测量被测物体周围声压场的变化周期或者频率来间接测量物体转动的角速度，本发明所述的方法可以对物体（特别是具有空间相对移动物体）的转动的角速度进行更准确、快捷的测量。
附图说明
15.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
16.图1是根据本技术实施例的基于声波的指向性测量物体转动角速度的方法的流程图。
17.图2是声波发生模块的结构示意图。
18.图3是声波接收模块的结构示意图。
具体实施方式
19.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
20.需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
21.声源的指向性表示声源辐射声音强度的空间分布。指向性声源在距声源中心等距离的不同方向的空间位置的声压级不相等。人和乐器发出的声音都具有指向性。通常频率越高，声源的指向性越强。在本专利中，我们称空间位置声压级最强的方向为指向轴心，指向轴心声压减弱的方向为指向轴心的指向方向。
22.利用声源的指向性特性，改变声源指向轴心的方向，可以改变空间的声压级分布，一进步的，使声源沿着垂直于声源指向轴心方向做周期为t 的匀速旋转运动，由声源指向轴心形成的旋转平面空间就会产生周期为t的交变声压场，测量出该平面内指定点的声压强度改变的周期t，t即为声源的旋转周期, 进而换算出声源匀速旋转的角速度为 2π/t 。
23.基于上述原理在本实施例中提供了一种基于声波的指向性测量物体转动角速度的方法及装置，图1是根据本发明实施例的基于声波的指向性测量物体转动角速度的方法的流程图：如图1所示，该流程包括如下步骤：步骤s1，安装声波源到被测物体，在此步骤中：根据被测物体旋转的特点将其分类为有固定转动轴和无固定旋转轴心两类：针对有固定转动轴的被测物体，固定安装 如图2所示声波发生模块到所述被测物体上，其安装方向为声波指向轴心垂直于且方向背向于所述被测物体的旋转轴；针对无固定转动轴的被测物体，固定安装三个所述声波发生模块到所述被测物体上，其安装方向为声波指向轴心相互垂直且方向背向于所述被测物体；步骤s2，使声波源发声并转动被测物体，在此步骤中：所述第一微控制器控制所述声波生发单元发出预设的声波；步骤s3，测量周围的声压场变化频率或周期，在此步骤中：布置如图3所示的声波接收模块到所述声波发生模块产生的声源场变化超过设定阈值的空间点，所述声波检测传感器测量出所述声波的声压场变化值并转换成对应的电信号传输给所述第二微处理器，所述第二微处理器采集所述电信号、经过傅里叶变换得到幅
值最大点的频率即为声压场变化频率；或者所述声波检测传感器测量出所述声波的声压场变化值并转换成对应的电信号传输给所述第二微处理器，所述第二微处理器采集所述电信号、绘制包络线、得到包络线幅值变化周期即为声压场变化周期；步骤s4，根据周期或频率计算出被测物体的转动角速度，在此步骤中：所述声压场的变化频率或周期即为被测量物体转动的频率或周期，所述第二微处理器用计算公式：以二倍圆周率乘以所述幅值最大点的频率的值即得到对应时刻被测物体旋转角速的值；或者以二倍圆周率除以所述幅值变化周期的值即得到对应时刻被测物体旋转角速的值。
24.本发明还提供第二例实施方式：测量投掷的飞盘过程中所述声波发生模块产生的空间声压场变化频率来测量飞盘的转动角速度，如图1所示，该流程包括如下步骤：步骤s1，安装声波源到被测物体：飞盘在飞行过程中转动具有固定的转动轴，其转动轴心方向垂直于飞盘的盘面；固定安装如图2所述声波发生模块到飞盘上，其安装方向声波指向轴心垂直于且方向背向于飞盘的旋转轴；步骤s2，使声波源发声并转动被测物体，此实施例中：所述第一微控制器控制所述声波生发单元发出预设的声波，所述声波的频率设置为20k赫兹，投掷飞盘；步骤s3，测量周围的声压场变化频率或周期，此实施例中：测量声压场变化频率：布置至少一个如图3所示设备声波接收模块到所述声波发生模块产生的声源场变化超过设定阈值的空间点，所述声波检测传感器测量出所述声波的声压场变化值并转换成对应的电信号传输给所述第二微处理器，所述第二微处理器采集所述电信号、经过傅里叶变换得到幅值最大点的频率即为所述声压场变化频率；步骤s4，根据周期或频率计算出被测物体的转动角速度，所述声压场的变化频率或周期即为被测量物体转动的频率或周期，此实施例中：计算频率，所述第二微处理器计算：以二倍圆周率乘以所述幅值最大点的频率的值即得到对应时刻所述飞盘旋转角速的值。
25.本发明还提供第三例实施方式：测量投掷的球体过程中所述声波发生模块产生的空间声压场变化周期来测量球体的转动角速度，如图1所示，该流程包括如下步骤：步骤s1，安装声波源到被测物体：球体在转动过程中转动没有固定的转动轴，固定安装如图2所示三个声波发生模块到所述被球体上，其安装方向为声波指向轴心相互垂直且方向背向于球体；步骤s2，使声波源发声并转动被测物体，此实施例中：所述第一微控制器控制所述声波生发单元发出预设的声波，所述声波的频率设置为20k赫兹，投掷球体；步骤s3，测量周围的声压场变化频率或周期，此实施例中：测量声压场变化周期，布置至少一个如图3所示设备声波接收模块到所述声波发生模块产生的声源场变化超过设定阈值的空间点，所述声波检测传感器测量出
所述声波的声压场变化值并转换成对应的电信号传输给所述第二微处理器，所述第二微处理器采集所述电信号、绘制包络线、得到包络线幅值变化周期即为所述声压场变化周期；步骤s4，根据周期或频率计算出被测物体的转动角速度，所述声压场的变化频率或周期即为被测量物体转动的频率或周期，此实施例中：计算周期，所述第二微处理器用计算公式：以二倍圆周率除以所述幅值变化周期的值，即得到对应时刻所述球体旋转角速的值。
26.该系统或者装置用于实现上述的实施例中的方法的功能，该系统或者装置中的每个模块与方法中的每个步骤相对应，已经在方法中进行过说明的，在此不再赘述。
27.以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。