一种独立嵌套式IMU测量小球及其调节方法

一种独立嵌套式imu测量小球及其调节方法
技术领域
1.本发明属于惯性测量技术领域，具体涉及一种独立嵌套式imu测量小球及其调节方法。


背景技术：

2.颗粒流动是自然界和工业界非常普遍的现象，但人们对颗粒流动机理却知之甚少。颗粒运动通常通过数字图像、激光散斑图案、x射线透视和声学技术来测量。数字图像方法利用高速摄像机记录特征粒子的运动轨迹以获得其速度分布，但是该方法仅适用于测量一维或二维颗粒流的表面速度分布。激光散斑图案方法只能测量激光照射区域内的平均粒子速度变化。x射线透视方法可以测量三维粒子流示踪中的轨迹，但视场小、分辨率低、放射性高和成本也高。声学技术可以测量二维或三维粒子流的力链结构，但不能测量单个颗粒的运动状态。目前还没有一种合适好用的方法来测量三维颗粒流动中平移和旋转运动。因此，为了开展颗粒流动的基础研究，有必要研究三维空间中颗粒平移和转速的测量技术和设备。
3.近年来，有人利用基于mems传感器的球状imu装置，可以测量并存储颗粒运动的三维实时数据。该方法采用四元数算法和卡尔曼滤波器对姿态数据进行计算和融合，以确定球状imu的姿态角度。但是，球状imu的外壳在测量过程中反复磨损而容易变形，导致耐用性和稳定性变差。球状imu内置mems传感器，传感器与球壳之间的不规则间隙造成小球质心与球心存在一定偏离，影响测量精度。外壳磨损、质心偏离和配重偏差问题造成实际转动惯量与球形转动惯量不一致，影响校准精度。


技术实现要素：

4.本发明提供一种独立嵌套式imu测量小球及其调节方法，通过重新设计内壳和外壳的结构，以解决球状imu外壳在测量过程中质心偏离球心的问题。
5.在本发明的第一个方面，提供一种独立嵌套式imu测量小球，包括外壳和内壳，mems芯片和电池包固定在所述内壳的内部，在所述内壳的外表面上设有多个位置和大小完全对称的配重腔，每个配重腔内安装有一个配重螺栓，通过调整配重螺栓在配重腔内的旋进进程，使得所述内壳的质心和球心重合；
6.所述内壳嵌套于所述外壳内，在所述内壳和所述外壳之间的缝隙中实心填充。
7.进一步地，所述配重腔的进程深度是所述配重螺栓的长度的两倍，任意状态下，配重螺栓的螺帽顶面与所述内壳的表面平齐或低于所述内壳的表面。
8.进一步地，所述外壳的形状为球形，由一层或多层嵌套组成，以降低测量小球在碰撞过程中内壳和外壳之间的能量损失。
9.进一步地，所述外壳的任一层采用不锈钢、铝合金、铜中的任一种或任意几种材料制备得到，以控制所述独立嵌套式imu测量小球的碰撞恢复系数达到预设值。
10.进一步地，所述外壳的厚度为测量小球半径的五分之一及以上。
11.进一步地，所述内壳的外壁上设有多个完全对称的凸台，所述内壳通过所述凸台拼接安装在所述外壳上，以在所述外壳内初步固定内壳。
12.进一步地，所述外壳包括上部外壳和下部外壳，在上部外壳或下部外壳的内壁上设有多个完全对称的卡扣，以使得所述上部外壳和所述下部外壳拼接密封。
13.进一步地，所述配重腔为6个，均匀对称地设置在所述内壳外表面的三轴线上。
14.在本发明的第二个方面，还提供了一种独立嵌套式imu测量小球的调节方法，包括如下步骤：
15.s1.在每个配重腔内拧进配重螺栓，螺帽顶面与内壳的表面平齐或低于内壳的表面；
16.s2.利用测量小球内置的mems芯片，检测内壳的质心位置(εm，θ
x
，θy，θz)；
17.s3.根据内壳的质心位置计算出球体坐标系中的球心坐标，
[0018][0019]
其中，εm为质心偏心距，θ
x
，θy，θz，分别为质心偏心距与x，y，z轴朝下方向的夹角，r
cx
，r
cy
，r
cz
分别为调节配重螺栓前内壳的质心在球体坐标系中的x，y，z轴坐标；
[0020]
s4.根据调节配重螺栓前后的球体平衡方程，计算得到内壳各轴上配重螺栓所需的调整进程，调整进程的表达式如下：
[0021][0022]
其中，r为内壳半径，dm为每个配重螺栓的质心到螺帽顶面的距离，m为配满配重螺栓的内壳质量，m为每个配重螺栓的质量，δx、δy和δz分别为x、y、z轴上配重螺栓的调整进程；
[0023]
s5.每次调整配重螺栓进程后都判断内壳产生的最大重力矩是否不超过最大控制力矩，如果不满足公式(3)则重复步骤s2、s3和s4，直到满足公式(3)，调整配重结束；
[0024]mmaxg
≤m
maxc
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0025]
其中，m
maxg
＝m
·g·
εm为最大重力矩，g为重力加速度；m
maxc
＝α
·m·g·
r为最大控制力矩，α为可允许的偏心系数。
[0026]
s6.配重调整结束后，将内壳嵌套于外壳内，在内壳和外壳的缝隙实心填充，组成测量小球。
[0027]
本发明和现有技术相比具有如下有益效果：
[0028]
1.本发明提供的独立嵌套式imu测量小球，通过调整内壳的质心位置，直至和球心重合，从而提高了校准精度，进而能够增大测量精度；同时，实际转动惯量和球形转动惯量接近，保证了测量的可靠性和稳定性。
[0029]
2.此外，本发明中外壳和内壳之间实心填充，内壳嵌套于外壳中，外壳由一层或多
层材料嵌套组成，可控制整个小球的碰撞恢复系数达到预设值，使得本发明提供的独立式嵌套式测量小球能够应用于碰撞过程试验。
[0030]
3.本发明提供的独立嵌套式imu测量小球的调节方法，通过借助imu检测质心位置，进而得到球心坐标，明确了配重螺栓的调整进程及如何判断配重调整，能够清楚的了解到如何使用本发明提供的独立嵌套式imu测量小球，调整质心的位置和球心重合，提高校准精度。
附图说明
[0031]
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
[0032]
图1为本发明实施例中独立嵌套式imu测量小球的结构示意图；
[0033]
图2为本发明实施例中质心与球心坐标和配重腔位置的示意图；
[0034]
图3为本发明实施例中独立嵌套式imu测量小球的调节方法的流程示意图；
[0035]
图中标号：
[0036]
1-上部外壳，2-下部外壳，3-内壳，4-mems芯片，5-配重螺栓，6-配重腔，7-凸台，8-卡扣。
具体实施方式
[0037]
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做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。
[0038]
如图1所示，本发明提供了一种独立嵌套式imu测量小球，包括外壳和内壳3，mems芯片4和电池包固定在所述内壳3的内部，在所述内壳3的外表面上设有多个位置和大小完全对称的配重腔6，每个配重腔6内安装有一个配重螺栓5，通过调整配重螺栓5在配重腔6内的旋进进程，使得所述内壳3的质心和球心重合；所述内壳3嵌套于所述外壳内，在所述内壳3和所述外壳之间的缝隙中实心填充。
[0039]
本发明提供的imu测量小球，通过内壳3及配重螺栓5的设计，可以调整内壳3的质心，直至和球心重合，进而提高校准精度，增大测量精度；同时，imu测量小球的转动惯量和球接近，保证了测量的可靠性和稳定性，解决了质心偏离和配重偏差问题造成实际转动惯量与球形转动惯量不一致、影响校准精度的问题。
[0040]
本发明中，所述配重腔6的进程深度是所述配重螺栓5的长度的两倍，任意状态下，配重螺栓5的螺帽顶面与所述内壳3的表面平齐或低于所述内壳3的表面。配重腔6的进程深度大于配重螺栓5的长度，使得配重螺栓5的进程调整不受限。而且配重螺栓5的螺帽顶面不高于内壳3表面的设置，可以提前预防螺帽顶面高出内壳3表面，对外壳某点定点挤压，增大磨损的问题。
[0041]
现有技术中，基于mems芯片的球状imu装置在颗粒流动的研究中，涉及到外壳和内
壳、测量小球在运动中的碰撞现象。“碰撞”表现为两个或以上物体间发生极短暂时间的相互作用，并迅速改变各自运动状态的物理现象。碰撞前后，各参与物体的速度、动量或能量会发生改变。恢复系数既能够反映碰撞过程中系统恢复形变的能力，也能反映碰撞过程中能量的损失情况。
[0042]
常规imu几乎无法用于碰撞过程，这是由于碰撞时间极短而能量损失很大，使得imu的有效测量范围很小。为解决这个问题，本发明提供的独立嵌套式imu测量小球，其外壳的形状为球形，由一层或多层组成，以降低测量小球在碰撞过程中内壳和外壳之间的能量损失。优选外壳多层材料配置设计，使得小球碰撞恢复系数增大，降低碰撞过程中的能量损失，延长碰撞时间，从而增大imu小球的量程。
[0043]
其中，外壳的任一层采用不锈钢、铝合金、铜中的任一种或任意几种材料制备得到，以控制独立嵌套式imu测量小球的碰撞恢复系数达到预设值。
[0044]
为进一步保护内壳，延长碰撞时间，外壳的厚度为测量小球半径的五分之一及以上。外壳的厚度大于等于小球半径的五分之一，使得外壳不容易磨损毁坏，方便配置多层材料使得碰撞恢复系数达到预设值。
[0045]
上述提及的碰撞恢复系数(e)是碰撞前后两物体沿接触处法线方向上的分离速度与接近速度之比，只与碰撞物体的材料有关。弹性碰撞时e＝1；非弹性碰撞时0《e《1；完全非弹性碰撞时e＝0。外壳采用多层材料配制，可以控制整个小球的碰撞恢复系数达到预设值。
[0046]
为进一步确保外壳和外壳密封的稳固性，在一个实施例中，所述内壳3的外壁上设有多个完全对称的凸台7，所述内壳3通过所述凸台7拼接安装在所述外壳上，以在所述外壳内初步固定内壳3，便于在内壳3和外壳之间实心填充，同时可以避免实心填充的过程中，内壳3偏移移动，导致质心偏移的问题。
[0047]
本实施例中，所述外壳包括上部外壳1和下部外壳2，在上部外壳1或下部外壳2的内壁上设有多个完全对称的卡扣8，以使得所述上部外壳1和所述下部外壳2拼接密封，确保外壳密封一体化。此处的上部外壳1和下部外壳2仅表示外壳的一部分，卡扣8可以设置在任意一部分的外壳内壁上，以保证外壳拼接为一体。
[0048]
在一个实施例中，所述配重腔为6个，均匀对称地设置在所述内壳外表面的三轴线上，如图2所示。
[0049]
在本发明的第二个方面，还提供了一种独立嵌套式imu测量小球的调节方法，如图3所示，包括如下步骤：
[0050]
s1.在每个配重腔内拧进配重螺栓，螺帽顶面与内壳的表面平齐或低于内壳的表面。
[0051]
s2.利用测量小球内置的mems芯片，检测内壳的质心位置(εm，θ
x
，θy，θz)，如图2所示。
[0052]
s3.根据内壳的质心位置计算出球体坐标系中的球心坐标，
[0053][0054]
其中，εm为质心偏心距，θ
x
，θy，θz，分别为质心偏心距与x，y，z轴朝下方向的夹角，r
cx
，r
cy
，r
cz
分别为调节配重螺栓前内壳的质心在球体坐标系中的x，y，z轴坐标。
[0055]
s4.根据调节配重螺栓前后的球体平衡方程，计算得到内壳各轴上配重螺栓所需的调整进程，调整进程的表达式如下：
[0056][0057]
其中，r为内壳半径，dm为每个配重螺栓的质心到螺帽顶面的距离，m为配满配重螺栓的内壳质量，m为每个配重螺栓的质量，δx、δy和δz分别为x、y、z轴上配重螺栓的调整进程。
[0058]
s5.每次调整配重螺栓进程后都判断内壳产生的最大重力矩是否不超过最大控制力矩，如果不满足公式(3)则重复步骤s2、s3和s4，直到满足公式(3)，调整配重结束，
[0059]mmaxg
≤m
maxc
(3)
[0060]
其中，m
maxg
＝m
·g·
εm为最大重力矩，g为重力加速度；m
maxc
＝α
·m·g·
r为最大控制力矩，α为可允许的偏心系数，本发明中α取0.03。
[0061]
s6.配重调整结束后，将内壳嵌套于外壳内，在内壳和外壳的缝隙实心填充，组成测量小球。
[0062]
通过本发明提供的调节方法，能够清楚的了解到如何使用本发明提供的独立嵌套式imu测量小球，通过调整质心的位置和球心重合，提高校准精度，增大测量精度，解决质心偏离和配重偏差问题造成实际转动惯量与球形转动惯量不一致、影响校准精度的问题。
[0063]
此外，本发明提供的测量小球，外壳磨损后，可单独更换外壳，延长内壳及内部mems的使用寿命。
[0064]
以上实施例仅为本技术的示例性实施例，不用于限制本技术，本技术的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本技术的实质和保护范围内，对本技术做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本技术的保护范围内。

技术特征：
1.一种独立嵌套式imu测量小球，其特征在于，包括外壳和内壳，mems芯片和电池包固定在所述内壳的内部，在所述内壳的外表面上设有多个位置和大小完全对称的配重腔，每个配重腔内安装有一个配重螺栓，通过调整配重螺栓在配重腔内的旋进进程，使得所述内壳的质心和球心重合；所述内壳嵌套于所述外壳内，在所述内壳和所述外壳之间的缝隙中实心填充。2.根据权利要求1所述的一种独立嵌套式imu测量小球，其特征在于，所述配重腔的进程深度是所述配重螺栓的长度的两倍，任意状态下，配重螺栓的螺帽顶面与所述内壳的表面平齐或低于所述内壳的表面。3.根据权利要求1所述的一种独立嵌套式imu测量小球，其特征在于，所述外壳的形状为球形，由一层或多层嵌套组成，以降低测量小球在碰撞过程中内壳和外壳之间的能量损失。4.根据权利要求3所述的一种独立嵌套式imu测量小球，其特征在于，所述外壳的任一层采用不锈钢、铝合金、铜中的任一种或任意几种材料制备得到，以控制所述独立嵌套式imu测量小球的碰撞恢复系数达到预设值。5.根据权利要求3或4所述的一种独立嵌套式imu测量小球，其特征在于，所述外壳的厚度为测量小球半径的五分之一及以上。6.根据权利要求1所述的一种独立嵌套式imu测量小球，其特征在于，所述内壳的外壁上设有多个完全对称的凸台，所述内壳通过所述凸台拼接安装在所述外壳上，以在所述外壳内初步固定内壳。7.根据权利要求1所述的一种独立嵌套式imu测量小球，其特征在于，所述外壳包括上部外壳和下部外壳，在上部外壳或下部外壳的内壁上设有多个完全对称的卡扣，以使得所述上部外壳和所述下部外壳拼接密封。8.根据权利要求1-7任一项所述的一种独立嵌套式imu测量小球，其特征在于，所述配重腔为6个，均匀对称地设置在所述内壳外表面的三轴线上。9.一种根据权利要求1-8任一项所述的一种独立嵌套式imu测量小球的调节方法，其特征在于，包括如下步骤：s1.在每个配重腔内拧进配重螺栓，螺帽顶面与内壳的表面平齐或低于内壳的表面；s2.利用测量小球内置的mems芯片，检测内壳的质心位置(ε
m
，θ
x
，θ
y
，θ
z
)；s3.根据内壳的质心位置计算出球体坐标系中的球心坐标，其中，ε
m
为质心偏心距，θ
x
，θ
y
，θ
z
，分别为质心偏心距与x，y，z轴朝下方向的夹角，r
cx
，r
cy
，r
cz
分别为调节配重螺栓前内壳的质心在球体坐标系中的x，y，z轴坐标；s4.根据调节配重螺栓前后的球体平衡方程，计算得到内壳各轴上配重螺栓所需的调整进程，调整进程的表达式如下：
其中，r为内壳半径，d
m
为每个配重螺栓的质心到螺帽顶面的距离，m为配满配重螺栓的内壳质量，m为每个配重螺栓的质量，δx、δy和δz分别为x、y、z轴上配重螺栓的调整进程；s5.每次调整配重螺栓进程后都判断内壳产生的最大重力矩是否不超过最大控制力矩，如果不满足公式(3)则重复步骤s2、s3和s4，直到满足公式(3)，调整配重结束；m
maxg
≤m
maxc
(3)其中，m
maxg
＝m
·
g
·
ε
m
为最大重力矩，g为重力加速度；m
maxc
＝α
·
m
·
g
·
r为最大控制力矩，α为可允许的偏心系数。s6.配重调整结束后，将内壳嵌套于外壳内，在内壳和外壳的缝隙实心填充，组成测量小球。

技术总结
本发明提供一种独立嵌套式IMU测量小球及其调节方法，测量小球包括外壳和内壳，MEMS芯片和电池包固定在内壳的内部，在内壳的外表面上设有多个位置、大小完全对称的配重腔，每个配重腔内安装有一个配重螺栓，内壳嵌套于外壳内，二者之间实心填充。调节方法为：在每个配重腔内拧进配重螺栓；利用内置MEMS芯片检测内壳的质心位置；计算得到球心坐标；根据调节配重螺栓前后的球体平衡方程，得到各配重螺栓所需的调整进程；每次调整配重螺栓进程后都判断内壳产生的最大重力矩是否不超过最大控制力矩，直到满足判断条件，调整配重结束。本发明通过重新设计内壳和外壳的结构，解决了球状IMU外壳在测量过程中质心偏离球心的问题。壳在测量过程中质心偏离球心的问题。壳在测量过程中质心偏离球心的问题。


技术研发人员：安翼 焦佳珺 吴强 刘青泉
受保护的技术使用者：中国科学院力学研究所
技术研发日：2023.04.12
技术公布日：2023/7/28