一种球形颗粒运动状态检测装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种球形颗粒运动状态检测装置及其方法，该装置包括容纳有多个球形填充颗粒的颗粒容器，其中，颗粒容器的壁面上设置有磁定位装置，颗粒容器内还放置有可运动的球形示踪颗粒探测装置，磁定位装置和球形示踪颗粒探测装置分别连接至计算机，球形示踪颗粒探测装置用于采集自身的惯性运动数据，磁定位装置用于采集球形示踪颗粒探测装置的内部磁感应强度数据，计算机根据惯性运动数据进行姿态解算，并根据磁感应强度进行位置解算，通过数据融合，以得到球形示踪颗粒探测装置的运动状态。与现有技术相比，本发明专利技术将惯性导航技术与磁场定位技术进行结合，能够准确、方便地检测出球形颗粒运动状态信息。出球形颗粒运动状态信息。出球形颗粒运动状态信息。

【技术实现步骤摘要】
一种球形颗粒运动状态检测装置及其方法


[0001]本专利技术涉及球形颗粒测量
，尤其是涉及一种球形颗粒运动状态检测装置及其方法。

技术介绍

[0002]球形颗粒在自然界、工业以及生产生活中具有广泛的存在，针对核反应堆中球形燃料元件的运动测量，传统是通过惯性器件、基于惯性导航技术来获得的，惯性器件受制于制作过程中加工工艺等因素的影响，导致惯性器件本身存在白噪声等误差，在其进行积分求解位移时，噪声会被放大，白噪声在积分后，相当于在本次误差的基础上又累加了一个随机白噪声误差，这就导致惯性器件在求解位移时容易累积误差，也就无法准确地通过惯性导航技术求出位移。由此可知，惯性导航技术的采样频率高、采样时间短，无需布设大量传感器，其不足是定位精度差。
[0003]对于求取位移的定位技术，目前精度较高的是以磁场为核心的磁场定位技术，其通过磁感应强度数据来衡量磁场的大小以及方向，并且磁性物体磁感应强度的大小还与磁性物质的密度、体积等因素有关。通过磁偶极子模型并利用磁感应强度数据所构建的定位方法，已经被广泛应用于磁性物质的定位之中，例如海底能源勘测。此外，通过多个磁力计传感器阵列对磁性物质进行定位的磁场定位技术则主要应用于医疗等领域，比如，无线胶囊内窥镜就是通过磁力计传感器阵列对小磁体进行定位、从而实现胶囊的跟踪定位。尽管磁场定位技术具有较高的定位精度，但其不足在于采样频率较低、采样时间长，需要布设大量传感器，线路较为复杂。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种球形颗粒运动状态检测装置及其方法，通过将惯性导航技术与磁场定位技术进行结合，能够准确、方便地检测出球形颗粒运动状态信息。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种球形颗粒运动状态检测装置，包括容纳有多个球形填充颗粒的颗粒容器，所述颗粒容器的壁面上设置有磁定位装置，所述颗粒容器内还放置有可运动的球形示踪颗粒探测装置，所述磁定位装置和球形示踪颗粒探测装置分别连接至计算机，所述球形示踪颗粒探测装置用于采集自身的惯性运动数据，所述磁定位装置用于采集球形示踪颗粒探测装置的内部磁感应强度数据，所述计算机根据惯性运动数据进行姿态解算，并根据磁感应强度进行位置解算，通过数据融合，以得到球形示踪颗粒探测装置的运动状态。
[0006]进一步地，所述球形示踪颗粒探测装置包括球形外壳，所述球形外壳内安装有第一微控制器和磁铁，所述第一微控制器分别连接有第一存储器、加速度计和角速度计，所述第一微控制器通过控制开关与电源可通断连接，所述控制开关闭合后，所述第一微控制器接通电源、球形示踪颗粒探测装置开始在颗粒容器内发生运动，所述加速度计和角速度计
用于采集相应的惯性运动数据，并通过第一存储器进行数据存储，所述第一微控制器与计算机通信连接，以将惯性运动数据传输至计算机。
[0007]进一步地，所述第一微控制器、磁铁、第一存储器、加速度计、角速度计和控制开关均集成安装于同一块PCB板上。
[0008]进一步地，所述磁铁具体为圆柱形磁铁。
[0009]进一步地，所述电源具体为纽扣电池。
[0010]进一步地，所述磁定位装置包括磁力计组，所述磁力计组连接至第一微控制器，所述第一微控制器连接有第二存储器，所述第二微控制器与计算机通信连接，所述磁力计组用于采集球形示踪颗粒探测装置内磁铁的磁感应强度数据，并通过第二存储器进行数据存储、通过第二微控制器将磁感应强度数据传输至计算机。
[0011]进一步地，所述磁力计组包括多个等间距布置在颗粒容器壁面上的多个磁力计传感器。
[0012]一种球形颗粒运动状态检测方法，包括以下步骤：
[0013]S1、球形示踪颗粒探测装置在颗粒容器内运动，并采集对应的惯性运动数据；
[0014]同时磁定位装置采集球形示踪颗粒探测装置内部的磁感应强度数据；
[0015]S2、球形失踪颗粒探测装置将采集的惯性运动数据传输至计算机；同时磁定位装置将采集的磁感应强度数据传输至计算机；
[0016]S3、计算机对惯性运动数据进行姿态解算，得到初始姿态角；并对磁感应强度数据进行位置解算，得到初始磁铁方向；
[0017]S4、根据初始姿态角和初始磁铁方向，计算机对惯性导航和磁场定位进行坐标系统一以及时间轴统一处理；
[0018]之后以磁定位为核心进行数据对应；
[0019]再以姿态角代替磁铁方向进行位置解算；
[0020]最后以惯导为核心进行数据对应，得到位移、加速度和姿态角信息，并计算得到微分速度和积分速度，将微分速度和积分速度融合后得到速度信息。
[0021]进一步地，所述步骤S3具体是通过四元数法对惯性运动数据进行姿态解算，利用磁偶极子模型对磁感应强度数据进行位置解算。
[0022]进一步地，所述步骤S4具体包括以下步骤：
[0023]S41、根据惯性导航和磁场定位的原理统一两个系统的坐标系：
[0024]在完成两个系统的解算后，利用惯性运动数据所计算的初始姿态角与磁感应强度数据所计算的初始磁铁方向统一两个系统的坐标系：
[0025][0026][0027]式中，ψ为惯性导航的偏航角、θ为惯性导航的俯仰角，为磁铁与x轴的夹角，为磁铁与z轴的夹角；
[0028]S42、统一两个系统的时间轴：
[0029]分别提取两个系统运动开始时间和结束时间；将二者运动的时间进行对应，并计算整体运动时间构成一个新的时间轴。
[0030]t
s
＝t
is
‑
t
ie
[0031]式中，t
is
为运动开始的时间，t
ie
为运动结束的时间，t
s
为整体运动时间；
[0032]S43、以磁定位数据为核心进行数据对应：
[0033]首先，确定磁定位系统与惯性导航系统采样率之间的倍数关系，并将其作为数据间隔距离，即惯性导航系统每间隔一个该数据距离与磁定位系统中的一个数据点进行对应：
[0034][0035]式中，K
i
为惯性导航系统的采样率、K
m
为磁定位系统的采样率、round表示就近取整、k表示数据间隔距离，惯性导航系统每间隔k个点与磁定位系统的一个点进行对应；
[0036]S44、将惯性导航系统的姿态角代替磁铁的方向：
[0037]m＝sinψ*cosθ
[0038]n＝sinψ*sinθ
[0039]p＝cosψ
[0040]式中，m、n、p为磁铁的方向参数，其中，m表示磁铁与x轴的方向，n表示磁铁与y轴的方向，p表示磁铁与z轴的方向，通过以姿态角代替磁铁方向，再次进行位置解算，能够提高定位精度；
[0041]S45、以惯性导航数据为核心进行数据对应并计算速度：
[0042]由于惯性导航系统的采样率要高于磁场定位的采样率，在数据对应后，会有部分惯性导航本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种球形颗粒运动状态检测装置，其特征在于，包括容纳有多个球形填充颗粒(3)的颗粒容器(2)，所述颗粒容器(2)的壁面上设置有磁定位装置，所述颗粒容器(2)内还放置有可运动的球形示踪颗粒探测装置(4)，所述磁定位装置和球形示踪颗粒探测装置(4)分别连接至计算机，所述球形示踪颗粒探测装置(4)用于采集自身的惯性运动数据，所述磁定位装置用于采集球形示踪颗粒探测装置(4)的内部磁感应强度数据，所述计算机根据惯性运动数据进行姿态解算，并根据磁感应强度进行位置解算，通过数据融合，以得到球形示踪颗粒探测装置(4)的运动状态。2.根据权利要求1所述的一种球形颗粒运动状态检测装置，其特征在于，所述球形示踪颗粒探测装置(4)包括球形外壳，所述球形外壳内安装有第一微控制器(42)和磁铁(46)，所述第一微控制器(42)分别连接有第一存储器(45)、加速度计(43)和角速度计(44)，所述第一微控制器(42)通过控制开关(47)与电源(41)可通断连接，所述控制开关(47)闭合后，所述第一微控制器(42)接通电源(41)、球形示踪颗粒探测装置(4)开始在颗粒容器(2)内发生运动，所述加速度计(43)和角速度计(44)用于采集相应的惯性运动数据，并通过第一存储器(45)进行数据存储，所述第一微控制器(42)与计算机通信连接，以将惯性运动数据传输至计算机。3.根据权利要求2所述的一种球形颗粒运动状态检测装置，其特征在于，所述第一微控制器(42)、磁铁(46)、第一存储器(45)、加速度计(43)、角速度计(44)和控制开关(47)均集成安装于同一块PCB板上。4.根据权利要求2～3任一所述的一种球形颗粒运动状态检测装置，其特征在于，所述磁铁(46)具体为圆柱形磁铁。5.根据权利要求2所述的一种球形颗粒运动状态检测装置，其特征在于，所述电源(41)具体为纽扣电池。6.根据权利要求2所述的一种球形颗粒运动状态检测装置，其特征在于，所述磁定位装置包括磁力计组(1)，所述磁力计组(1)连接至第一微控制器(42)，所述第一微控制器(42)连接有第二存储器(53)，所述第二微控制器(52)与计算机通信连接，所述磁力计组(1)用于采集球形示踪颗粒探测装置(4)内磁铁(46)的磁感应强度数据，并通过第二存储器(53)进行数据存储、通过第二微控制器(52)将磁感应强度数据传输至计算机。7.根据权利要求1所述的一种球形颗粒运动状态检测装置，其特征在于，所述磁力计组(1)包括多个等间距布置在颗粒容器(2)壁面上的多个磁力计传感器。8.一种球形颗粒运动状态检测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、球形示踪颗粒探测装置在颗粒容器内运动，并采集对应的惯性运动数据；同时磁定位装置采集球形示踪颗粒探测装置内部的磁感应强度数据；S2、球形失踪颗粒探测装置将采集的惯性运动数据传输至计算机；同时磁定位装置将采集的磁感应强度数据传输至计算机；S3、计算机对惯性运动数据进行姿态解算，得到初始姿态角；并对磁感应强度数据进行位置解算，得到初始磁铁方向；S4、根据初始姿态角和初始磁铁方向，计算机对惯性导航和磁场定位进行坐标系统一以及时间轴统一处理；之后以磁定位为核心进行数据对应；
再以姿态角代替磁铁方向进行位置解算；最后以惯导为核心进行数据对应，得到位移、加速度和姿态角信息，并计算得到微分速度和积分速度，将微分速度和积分速度融合后得到速度信息。9.根据权利要求8所述的一种球形颗粒运动状态检测装置，其特征在于，所述步骤S3具体是通过四元数法对惯性运动数据进行姿态解算，利用磁偶极子模型对磁感应强度数据进行位置解算。10.根据权利要求8所述的一种球形颗粒运动状态检测装置，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：S41、根据惯性导航和磁场定位的原理统一...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔平，王士杰，周亮，张建青，周艳丽，王宏杰，陈立范，
申请(专利权)人：上海健康医学院，
类型：发明
国别省市：