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龍圖騰網(wǎng)恭喜上海健康醫(yī)學(xué)院申請(qǐng)的專利一種球形顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)裝置及其方法獲國(guó)家發(fā)明授權(quán)專利權(quán)，本發(fā)明授權(quán)專利權(quán)由國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局授予，授權(quán)公告號(hào)為：CN115235459B 。

龍圖騰網(wǎng)通過(guò)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局官網(wǎng)在2025-04-29發(fā)布的發(fā)明授權(quán)授權(quán)公告中獲悉：該發(fā)明授權(quán)的專利申請(qǐng)?zhí)?專利號(hào)為：202210593920.3，技術(shù)領(lǐng)域涉及：G01C21/16；該發(fā)明授權(quán)一種球形顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)裝置及其方法是由孔平;王士杰;周亮;張建青;周艷麗;王宏杰;陳立范設(shè)計(jì)研發(fā)完成，并于2022-05-27向國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提交的專利申請(qǐng)。

本一種球形顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)裝置及其方法在說(shuō)明書(shū)摘要公布了：本發(fā)明涉及一種球形顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)裝置及其方法，該裝置包括容納有多個(gè)球形填充顆粒的顆粒容器，其中，顆粒容器的壁面上設(shè)置有磁定位裝置，顆粒容器內(nèi)還放置有可運(yùn)動(dòng)的球形示蹤顆粒探測(cè)裝置，磁定位裝置和球形示蹤顆粒探測(cè)裝置分別連接至計(jì)算機(jī)，球形示蹤顆粒探測(cè)裝置用于采集自身的慣性運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，磁定位裝置用于采集球形示蹤顆粒探測(cè)裝置的內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)根據(jù)慣性運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)解算，并根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行位置解算，通過(guò)數(shù)據(jù)融合，以得到球形示蹤顆粒探測(cè)裝置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將慣性導(dǎo)航技術(shù)與磁場(chǎng)定位技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，能夠準(zhǔn)確、方便地檢測(cè)出球形顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息。

本發(fā)明授權(quán)一種球形顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)裝置及其方法在權(quán)利要求書(shū)中公布了：1.一種球形顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)方法，應(yīng)用于一種球形顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)裝置，其特征在于，該球形顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)裝置包括容納有多個(gè)球形填充顆粒3的顆粒容器2，所述顆粒容器2的壁面上設(shè)置有磁定位裝置，所述顆粒容器2內(nèi)還放置有可運(yùn)動(dòng)的球形示蹤顆粒探測(cè)裝置4，所述磁定位裝置和球形示蹤顆粒探測(cè)裝置4分別連接至計(jì)算機(jī)，所述球形示蹤顆粒探測(cè)裝置4用于采集自身的慣性運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，所述磁定位裝置用于采集球形示蹤顆粒探測(cè)裝置4的內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，所述計(jì)算機(jī)根據(jù)慣性運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)解算，并根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行位置解算，通過(guò)數(shù)據(jù)融合，以得到球形示蹤顆粒探測(cè)裝置4的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；該球形顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)方法包括以下步驟：S1、球形示蹤顆粒探測(cè)裝置在顆粒容器內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并采集對(duì)應(yīng)的慣性運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；同時(shí)磁定位裝置采集球形示蹤顆粒探測(cè)裝置內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)；S2、球形失蹤顆粒探測(cè)裝置將采集的慣性運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)；同時(shí)磁定位裝置將采集的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)；S3、計(jì)算機(jī)對(duì)慣性運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)解算，得到初始姿態(tài)角；并對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行位置解算，得到初始磁鐵方向；S4、根據(jù)初始姿態(tài)角和初始磁鐵方向，計(jì)算機(jī)對(duì)慣性導(dǎo)航和磁場(chǎng)定位進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)一以及時(shí)間軸統(tǒng)一處理；之后以磁定位為核心進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)；再以姿態(tài)角代替磁鐵方向進(jìn)行位置解算；最后以慣導(dǎo)為核心進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)，得到位移、加速度和姿態(tài)角信息，并計(jì)算得到微分速度和積分速度，將微分速度和積分速度融合后得到速度信息；其中，步驟S4具體包括以下步驟：S41、根據(jù)慣性導(dǎo)航和磁場(chǎng)定位的原理統(tǒng)一兩個(gè)系統(tǒng)的坐標(biāo)系：在完成兩個(gè)系統(tǒng)的解算后，利用慣性運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)所計(jì)算的初始姿態(tài)角與磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)所計(jì)算的初始磁鐵方向統(tǒng)一兩個(gè)系統(tǒng)的坐標(biāo)系： 式中，ψ為慣性導(dǎo)航的偏航角、θ為慣性導(dǎo)航的俯仰角，為磁鐵與x軸的夾角，為磁鐵與z軸的夾角；S42、統(tǒng)一兩個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間軸：分別提取兩個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間；將二者運(yùn)動(dòng)的時(shí)間進(jìn)行對(duì)應(yīng)，并計(jì)算整體運(yùn)動(dòng)時(shí)間構(gòu)成一個(gè)新的時(shí)間軸：ts＝tis-tie式中，tis為運(yùn)動(dòng)開(kāi)始的時(shí)間，tie為運(yùn)動(dòng)結(jié)束的時(shí)間，ts為整體運(yùn)動(dòng)時(shí)間；S43、以磁定位數(shù)據(jù)為核心進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)：首先，確定磁定位系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)采樣率之間的倍數(shù)關(guān)系，并將其作為數(shù)據(jù)間隔距離，即慣性導(dǎo)航系統(tǒng)每間隔一個(gè)該數(shù)據(jù)間隔距離與磁定位系統(tǒng)中的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)： 式中，Ki為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的采樣率、Km為磁定位系統(tǒng)的采樣率、round表示就近取整、k表示數(shù)據(jù)間隔距離，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)每間隔k個(gè)點(diǎn)與磁定位系統(tǒng)的一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)；S44、將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)角代替磁鐵的方向：m＝sinψ*cosθn＝sinψ*sinθp＝cosψ式中，m、n、p為磁鐵的方向參數(shù)，其中，m表示磁鐵與x軸的方向，n表示磁鐵與y軸的方向，p表示磁鐵與z軸的方向，通過(guò)以姿態(tài)角代替磁鐵方向，再次進(jìn)行位置解算，能夠提高定位精度；S45、以慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)為核心進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)并計(jì)算速度：由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的采樣率要高于磁場(chǎng)定位的采樣率，在數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)后，會(huì)有部分慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的信息處于空白狀態(tài)，即缺少與之對(duì)應(yīng)的位移；對(duì)于相鄰位移之間缺失的位移數(shù)據(jù)，將相鄰位移做均值，相鄰位移之間的加速度做兩次積分，并將兩個(gè)位移做均值確定相鄰位移之間缺失的位移數(shù)據(jù)X： Va＝∫adtVm＝dxdt式中，為相鄰兩點(diǎn)位移均值、Xl為相鄰位移之間的加速度兩次積分后的位移，Va為加速度積分后的速度、Vm為位移微分后的速度、a為加速度、t為時(shí)間、dx為相鄰時(shí)刻位移差、dt為相鄰時(shí)刻時(shí)間差；S46、將兩個(gè)系統(tǒng)的速度進(jìn)行融合：由于兩種方式所求的速度都存在一定誤差，為此通過(guò)卡爾曼濾波對(duì)速度進(jìn)行融合，以獲得準(zhǔn)確的速度，具體是將Va和Vm求取均值作為觀測(cè)值： 之后分別計(jì)算Va和Vm的協(xié)方差，通過(guò)比較協(xié)方差的最小值，選取所信任的速度作為狀態(tài)變量：Yk|k＝Y(jié)k|k-1+Kgk*[Zk-H*Yk|k-1]式中，Yk|k為k時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)變量的最優(yōu)估計(jì)值，Zk為k時(shí)刻系統(tǒng)的觀測(cè)值，Kgk為k時(shí)刻的卡爾曼增益可由協(xié)方差計(jì)算出，H為系統(tǒng)觀測(cè)矩陣、此處為單位矩陣，Yk|k-1為k-1時(shí)刻預(yù)測(cè)的k時(shí)刻的狀態(tài)變量；由此實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)融合，即每一個(gè)時(shí)刻都可以獲得對(duì)應(yīng)的加速度、角速度、位移以及速度信息。

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