加速度传感器计步器设计及其性能提高(外文翻译)

第一篇：加速度传感器计步器设计及其性能提高(外文翻译)

基于加速度传感器的计步器及性能提高

摘要：计步器可以帮助人们实时掌握锻炼情况，它通过检测人体行走步数和步幅可计算出行走的路程。为了提高计步器的准确性，借助MATLAB仿真工具，充分利用加速度传感器输出的三轴加速度信号，经分别处理后．利用基于信号能量自适应门限来检测加速度信号的峰值个数，从而准确地计算出人体行走的步数。最后。对年轻人与老年人行走数据进行采集，通过文中方法与传统方法处理后进行对比。实验结果表明，相对于传统方法，基于信号能量自适应门限检测方法具有更好的性能．能有效地提高计步器的准确度。

关键词：加速度传感器，单片机，微机电系统，低功耗。

1、介绍

计步器是一种颇受欢迎的日常锻炼进度监控器，可以激励人们挑战自己，增强体质，帮助瘦身。早期设计利用加重的机械开关检测步伐，并带有一个简单的计数器。晃动这些装置时，可以听到有一个金属球来回滑动，或者一个摆锤左右摆动敲击挡块。如今，先进的计步器利用MEMS（微机电系统）惯性传感器和复杂的软件来精确检测真实的步伐。MEMS惯性传感器可以更准确地检测步伐，误检率更低。MEMS惯性传感器具有低成本、小尺寸和低功耗的特点，因此越来越多的便携式消费电子设备开始集成计步器功能，如音乐播放器和手机等。ADI公司的3轴加速度计ADXL335, ADXL345和 ADXL346小巧纤薄，功耗极低，非常适合这种应用。文章介绍了加速度传感器的工作原理、结构及功能，设计出了一种基于加速度传感器的电子计步器。实验中由加速度传感器获取步态的加速度信号，单片机的内置模数转换器对其进行采样和A/D 转换后，就得到了步态的特征数据，此数据通过并口被送入单片机中经过一定的算法，输出在LCD 液晶显示屏上显示。

人体行走时的行为可以通过很多参数来描述，但不同的参数反映着不同的方面，本文主要是测量人行走步数，以达到及时了解自己每日行走的步数及运动量并进行及时调节和锻炼的目的，人行走的行为可以通过距离、速度、加速度等参数来描述，不同的参数有着不同的精确度，通过检测人行走时的加速度信号可以有效的获得步数信息。而人行走时在水平前向、侧向和垂直方向上都有加速度，如下图所示：

ADXL335是三轴(X 轴，Y 轴，Z 轴)加速度传感器，正好可以对人行走时的三个方向的加速度信号进行检测，从而更精确的获取人行走时的信息。

图2.ADXL335功能框图

图3.从一名跑步者测得的x、y和z轴加速度的典型图样

2、加速度传感器的原理

加速度是速度变化量与发生这一变化所用时间的比值（△V/△t），是描述物体速度改变快慢的物理量，通常用a表示，a=F/m,加速度只和施加在物体上合力F，和物体的质量有关，与速度和时间无关。重力加速度：地球表面附近的物体因受重力产生的加速度叫做重力加速度，也叫自由落体加速度，用g表示。重力加速度g的方向总是竖直向下的。在同一地区的同一高度，任何物体的重力加速度都是相同的。惯性传感器：应用惯性原理和测量技术，感受载体运动的加速度、位置和姿态的各种敏感装置。如加速度传感器，MEMS是指可批量制作的，集微型机械结构构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。现在的加速度传感器，陀螺仪都是基于MEMS的。加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。线加速度计的原理是惯性原理，也就是力的平衡，A(加速度)=F(惯性力)/M(质量)我们只需要测量F就可以了。怎么测量F？用电磁力去平衡这个力就可以了。就可以得到F对应于电流的关系。只需要用实验去标定这个比例系数就行了。当然中间的信号传输、放大、滤波就是电路的事了。多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。所谓的压电效应就是“对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应”。一般加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如压阻技术，电容效应，热气泡效应，谐振式，隧穿式，等，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。二轴加速度传感器能够同时检测两个方向（x轴，y轴）上的加速度。三轴加速度传感器能够同时检测三个方向上的加速度，x，y，z。

图4.传感器检测原理垂直剖面图

3、加速度传感器算法

首先，为使加速度图样所示的信号波形变得平滑，需要一个数字滤波器。可以使用四个寄存器和一个求和单元，如图5所示。当然，可以使用更多寄存器以使加速度数据更加平滑，但响应时间会变慢。

图5.数字滤波器 图6显示了来自一名步行者所戴计步器的最活跃轴的滤波数据。对于跑步者，峰峰值会更高。

图6.最活跃轴的滤波数据

动态阈值和动态精度：系统持续更新3轴加速度的最大值和最小值，每采样50次更新一次。平均值(Max + Min)/2称为“动态阈值”。接下来的50次采样利用此阈值判断个体是否迈出步伐。由于此阈值每50次采样更新一次，因此它是动态的。这种选择具有自适应性，并且足够快。除动态阈值外，还利用动态精度来执行进一步滤波，如图7所示。

图7.动态阈值和动态精度

利用一个线性移位寄存器和动态阈值判断个体是否有效地迈出一步。该线性移位寄存器含有2个寄存器：sample_new寄存器和sample_old寄存器。这些寄存器中的数据分别称为sample_new和sample_old。当新采样数据到来时，sample_new无条件移sample_old入寄存器。然而，sample_result是否移入sample_new寄存器取决于下述条件：如果加速度变化大于预定义精度，则最新的采样结果sample_result移入sample_new寄存器，否则sample_new寄存器保持不变。因此，移位寄存器组可以消除高频噪声，从而保证结果更加精确。

步伐迈出的条件定义为：当加速度曲线跨过动态阈值下方时，加速度曲线的斜率为负值(sample_new < sample_old)。.峰值检测：步伐计数器根据x、y、z三轴中加速度变化最大的一个轴计算步数。如果加速度变化太小，步伐计数器将忽略。

步伐计数器利用此算法可以很好地工作，但有时显得太敏感。当计步器因为步行或跑步之外的原因而非常迅速或非常缓慢地振动时，步伐计数器也会认为它是步伐。为了找到真正的有节奏的步伐，必须排除这种无效振动。利用“时间窗口”和“计数规则”可以解决这个问题。

“时间窗口”用于排除无效振动。假设人们最快的跑步速度为每秒5步，最慢的步行速度为每2秒1步。这样，两个有效步伐的时间间隔在时间窗口[0.2 s峰值加速度差较大，各种弹簧点看起来不同。因此，代表弹簧的量的数据，而不是代表真实数据的数据量是不同的，与图10相比。该算法只看到加速度测量值的一组，不会注意这些测量值的上下文中的问题，因此，无需拆卸有用的数据。

图10

图11

这两个图之间也有一些重要的区别。底部的一部分，每一个步骤的曲线在图11中略窄的曲线的顶部是更一致（更少的鲜明的峰）。这些差异导致更高的平均样本值和最小和最大的采样值。为了便于比较，检查数据图，在图12中不同的个体的步幅非常相似，在图10中的主体1。然而，数据本身看起来很大的不同。

图12 主题2比主题1在步幅有很大的变化（如图10所示）。然而，这两组数据代表大致相同的行走距离。仅仅计算距离的峰值提供了广泛的不同的结果。使用一个简单的双积分有同样的问题。

所有努力拿出一个全面的方法解决这个问题，使用简单的计算存在同样的问题。这导致了一系列的正常化中的数据方式，消除了弹簧的尝试，但这些尝试证明未成功。主要的原因似乎是它们要求的数据的上下文中的一些出入。然而，该解决方案需要能够上下文中的数据，而无需操作。一种可能的解决这个问题的方法开始浮出水面。前面提到过的数据如何去改变时，从慢到快的步伐，有不太明显的变化，由于弹性用更长的时间，更快的步幅。得到的结果是更高的采样点的平均值，相对于数据的最小值和最大值。视觉上，它有点难以保证，在图12中所示的步骤中给定量的反弹。但是，计算表明，平均与峰值在图10中是非常相似。因此，一个简单的算法是来确定行走距离。这个算法便是：

d是所计算的距离。k是一个常数。max在这个步骤测量中的最大的加速度值，min是最小加速度值。avg为平均加速度值。

这个简单的解决方案，保持良好的各种步幅长度。但有些科目变化多达10％的距离，从测得的平均距离为组。这是不是在±7.5％的误差范围是针对未校准的测量。另一种解决方案是需要的。

在最后的测试中使用的比例似乎反映了不同科目的步骤在弹性中差异。两种方法相结合是有意义的尝试。让我们再回到原来的想法，使用双积分，这个比例被用作一个修正系数，从计算特征运算下弹簧数据。因此，得出的公式是：

该算法保持了良好误差消除性，所有的变化在约6％之内。该算法本身容易校准与调整的乘数k的步伐。结果指出，这里没有包括这个平均值使用。在这个实验中，只有X-和Y-轴被使用。灵活选择的3轴加速度传感器，两个轴被认为是足够完成任务。ADXL323可用于代替ADXL330。因为引脚配置为Z轴的输出是相同的，而且可以同时用于相同的布局。这些实验在计步器的距离测量上取得好成绩。步计数算法确保它运作良好，一边走一边运行，然而，它可能是一个简单的算法可以被愚弄为nonwalking运动。预计在AN-602中描述的时间窗函数能够得到改善。

5、总结

ADXL345是一款出色的加速度计，非常适合计步器应用。它具有小巧纤薄的特点，采用3 mm × 5 mm × 0.95 mm塑封封装，利用它开发的计步器已经出现在医疗仪器和高档消费电子设备中。它在测量模式下的功耗仅40 µA，待机模式下为0.1 µA，堪称电池供电产品的理想之选。嵌入式FIFO极大地减轻了主处理器的负荷，使功耗显著降低。此外，可以利用可选的输出数据速率进行定时，从而取代处理器中的定时器。13位分辨率可以检测非常小的峰峰值变化，为开发高精度计步器创造了条件。最后，它具有三轴输出功能，结合上述算法，用户可以将计步器戴在身上几乎任何部位。

几点建议：如果应用对成本极其敏感，或者模拟输出加速度计更适合，建议使用ADXL335，它是一款完整的小尺寸、薄型、低功耗、三轴加速度计，提供经过信号调理的电压输出。如果PCB尺寸至关重要，建议使用ADXL346，这款低功耗器件的内置功能甚至比ADXL345还多，采用小巧纤薄的3 mm × 3 mm × 0.95 mm塑封封装，电源电压范围为1.7 V至2.75 V。

参考文献

[1]Choi Kwonhue．Cheun Kyungwhoon，JunE Taejin．

Adaptive PN code acquisition using instantaneous power— scaled detection threshold under rayleigh fading and pulsed gaussian noise jamming[J]．2005.[2]CAI B G．Position estimation via fusion and integration of GPS andinertial 8ensol{[R]．[8．I]：Report of CITR． the Ohio State University，2008.[3] Toward free-living walking speed estimation using Gaussian Process-based Regression with on-body accelerometers and gyroscopes2008 [5] Randomised controlled trial of a complex intervention by primary care nurses to increase walking in patients aged 60–74 years: protocol of the PACE-Lift(Pedometer Accelerometer Consultation Evaluation2013 [6] Development and Testing of a Device for Human Kinematics Measurement2006

[8] Translating accelerometer counts into energy expenditure: advancing the quest2006 [10] Space and habitat use of the African elephant in the Tarangire-Manyara ecosystem, Tanzania: Implications for conservation2005 [12] Convert your smartphone into a pedometer and tracking device2010 [14] Dead-Reckoning Method Using the Spring Model2011

第二篇：二维加速度矢量转台控制系统设计外文文献翻译

中北大学2012届本科毕业设计说明书

关于中国自动控制领域发展的研究

程代展 中国科学研究院数学与系统科学研究院系统与控制重点实验室

自动控制就是将控制技术与其他信息技术融合起来，自主控制工业过程，减少人为干预。自动化在社会，经济以及我们的日常生活中发挥着很重要的作用。控制论也就是自动化理论，是工程与数学交叉的一个学科分支，旨在监测动态系统的运行。在工业制造自动化及其设备方面，中国有着悠久的历史。近些年，中国在自动控制理论方面取得了长足进步，提出了许多新理论和新工程技术，满足了工业，农业，国防以及社会的其他方面的需求。现代科学例如复杂性，系统多样性，量子技术等，均发现其与控制学科的紧密联系。另一方面，控制论本身还有许多尚未解决的需要更加深入研究的基础性问题。本文旨在回顾中国在这些方面所取得发展和进步以及展望其未来的发展方向。

关键字：控制理论，高科技方向，当代科学，基础性问题 1 对中国的控制论的简要概述

自动化技术是社会生产力的一个关键因素。自动控制技术在工业，国防以及能源供应，通信，交通运输，工业制造，航空航天，导弹以及火箭导航等方面的发展上扮演着不可或缺的角色。一个国家的自动化程度体现着该国工业和国防的发展水平。

自动控制系统可以简述为一种含有某些可以辨识其行为元件的设备。由于执行机构能够自主的进行控制行为，设备和进程也被称为是自动化的。一个典型的案例是18世纪80年代由瓦特发明的浮力球控制器，通过检测水龙头的流量来调节进水阀的开关量。

在5000多年的文明史上，作为四大文明古国之一，中国拥有不计其数的发明创造，当然其中包含了大量的自动化器件和设备。其中，有用来检测地震的地动仪（公元前139年─公元前78年），能够自动识别南方的指南针（公元250年─公元330年），还有用于金属冶炼的鼓风机（公元前57年─

中北大学2012届本科毕业设计说明书

公元前25年），宋朝宋应星编写的《天工开物》（主要介绍自然科学）包含了许多的工程设备。

尽管Maxwell关于调速器的论著要早许多，但是Wiener的著作《控制学》被认为是控制学的开端。Pontryagin的《最大值原理》，Bellman的《动态编程》以及Kalman的《控制系统的滤波器和静态空间》被认为是现代控制理论的三大里程碑。Dr.Tsien于1954年编写的《工程控制学》中国学者对于现代控制论发展的一大贡献。自那以后，中国的研究人员和工程师们在控制论的发展和应用方面做了许许多多的工作。

在现代中国，尤其是1979年以来，30年的改革开放使得中国发生了翻天覆地的巨变。中国的GDP在以大约10个百分点的速度增长。如今，已是世界 中北大学2012届本科毕业设计说明书

研究的主体方向已经渐渐发生了改变。越来越多的注意力被聚焦在了高科技主导的控制论问题上。与纯粹的数学运算相异的是，控制论根源于工程应用领域，旨在研究解决实际的应用问题。如果没有工程应用的背景和目的，那么控制论也将失去其存在的意义和价值！与此同时，在许多高新技术领域，也出现了许多亟待解决的控制问题，这就向系统和控制领域的科学研究人员提出了新的挑战。

作为一门学科，概念越是宽泛，那么人们对其所获成果的期望值也就越低！将普通的控制论应用于具有特殊性的高科技上，可能会产生更多型的问题和结果。作者已经在相关的文献里阐释了他的观点，本文中，我们会给出更多的高科技所要求的细节，也许这正是针对控制论及其应用所主要研究的课题。

2.1网络交互式控制系统

当今社会，网络已经成为我们日常生活的一个重要方面，也是先进技术发展的一个重要部分。得益于互联网，我们可以方便快捷的进行信息交互。网络传感器亦或是拥有一定计算存储能力的执行机构节点，都可以远程控制复杂的动态系统。与网络交互系统紧密相关的是两大基本控制问题，网络的控制和网络交互系统的控制。

网络互连有其特殊的问题，比如网络拥堵，数据包丢失以及用于确定某些信息的数据延迟。为了确保大型网络的工作效率，像互联网，对其进行故障监测是个不小的挑战。一个网络交互控制系统是由一系列的动态单元构成的。这些单元通过一个重要的交互网络进行信息交换，以此达到操作和行为的协调性。网络交互式控制系统的研究集中在以下几个方面：1.系统模型的建立：既然一个交互式控制系统是由传感器，执行元件和控制器构成的，那么我们就有必要建立一个何时的模型来研究实际系统的动态性能和可控性。2.控制器的分析和设计：正是由于交互式控制系统有着自身独特的特点如交互性，迟后性以及随意性，所以设计此类型的控制系统时，在考虑如上特点时，就有必要建立新的分析模型和新的控制方案。3.监测失误：在针对系统失误的监测中，特有的注意力需要针对网络交互式控制系统的独有特性。4.实验和仿真研究：与机械系统不同的是，这种动态的网络交互式系统几乎不

中北大学2012届本科毕业设计说明书

能被种种方程来描述。因而实验和仿真研究，作为解决交互式控制系统一些问题的高效工具应运而生。标准检查程序问题和软件工具是为了学习和控制此类系统的设计而发展来的。

虽然目前许多工业上的交互式控制系统已经研究了很长时间，如动力系统，交通运输系统，信息通信系统。但是也仅仅是上世纪末，人们才开始从交互式控制系统的观点出发来进行研究。在不久的将来，这种新的观点有望带来突破性的进展。

交互式控制系统是一个相互交叉的学科分类，是一个极具挑战并且前途光明的研究领域！2.2 智能机器人

在20世纪70年代至20世纪80年代间，随着计算机控制机器人的出现，机器人领域成为了计算机科学和机械工程研究的热土，这是因为这些研究正好模拟了相关控制技术的研究成果。自那以后，机器人控制技术成为了控制论中较为活跃的分支。

在过去的大约20年中，中国在机器人技术研究和产品的研制上有了客观的成果。中国生产了一些列的工业机器人，然而，中国对于印刷机器人，焊接机器人，汽车生产线上的装配机器人，无人机，水下机器人以及各式各样的机器人的需求量是非常庞大的，中国的机器人制造远未满足该需求。

这个领域的一些课题包括机器人的状态预估，监测控制以及在复杂环境下利用智能控制技术对智能机器人进行控制等等。在机器人领域的未来发展中，挑战将永远存在，略举数例，比如：自主型的人机交互技术，采用高数据流传感器的控制技术，服务和医疗机器人。2.3 导弹、飞机和火箭的引导制导

在空天领域，控制论曾一度成为它们的生存技术。严格来讲，现代控制理论最成功的工程应用就是人造卫星的控制。

中国的空间计划早在中华人民共和国成立之初就已经发起了。中国的 中北大学2012届本科毕业设计说明书

位航天员送入太空。中国成为世界上继苏联，美国之后 中北大学2012届本科毕业设计说明书

制成为了一种可实践的有用工具。一种新的模糊控制推论已被提出来了。

要想解决系统中的不确定性和不可动态建模问题，抗敏感扰动控制技术被提出，主要针对在不确定性方面的预估和补偿，这种新技术在工业应用上取得了一些成效。

在将高科技应用到现代工业的同时，现代工业对我们提出了更快、更精准的控制要求。现代控制论中得出的越来越多的结论正在或即将被应用到工业中。当代科学推动控制论前进

当代科学中出现了许多富有挑战性的系统和控制问题，这就为控制理论和控制技术的发展提供了新的广阔空间。3.1多重代理系统

在上世纪末，复杂性和复杂系统的出现吸引了来自生物学家，医学家，计算机科学家和系统学家的眼球。据说复杂的科学才是21世纪的科学。

多重代理系统的同步性自然是由生物学家发现的，然后再由系统学家用简单的规则进行了建模仿真的研究。最近，系统学家开始揭示其内在的数学逻辑，并且通过设计集散控制来获取多重代理系统的同步性。

对多重代理系统的共识使得对这个系统研究的很广泛。不同的研究方法如李亚普诺夫方程，广义拉萨尔不变性原理都被用来证明：在合适的集散控制下，利用本系统信息，在多重代理系统的共识下，我们应当注意的是，最先得出的结论并没有要求任何优先连接权给著名的Vicsek 模型,而是被研究人员唐和郭在随机框架中得出来的。3.2转换系统

转换系统也许被认为是含有多重标准和多重模型的最简的交互系统。他们拥有复杂系统的典型性质如非线性，因此研究转换系统也成为一个控制系统的热门课题。

稳定性和稳定状态是研究转换系统的基本问题。在此过程中，李亚普诺夫二次普通方程有着重要作用。李亚普诺夫方程的存在是被证实了的。并且一些必要充分条件被获得。人们对转换系统的可控性进行了研究，一些充分或必要和充分必要条件被获得。

中北大学2012届本科毕业设计说明书

转换系统还是研究多重代理系统的基础。正因为如此，在多重代理系统共识的研究中，得到了一些转换系统的新特性。3.3系统生物学

系统生物学旨在理解系统生物的动态性。它致力于在系统层面分析系统生物。事实上，Norbert Wiener，现代控制论之父，是 中北大学2012届本科毕业设计说明书

过量子闭环系统的测量元件取得的。然而，不同级别的机械系统对扰动的敏感度不同。从现代控制论的观点出发，反馈就是要将扰动和不确定性降低。因此，在取得由测量元件和对扰动敏感的机械设备后的数据时，就需要进行权衡了。

为了阐述量子控制的必要性，席和金在考虑了量子交互系统换相扰动后，将量子闭环系统与经典闭环系统作比较，错误的修正率差别很大。

消相干是量子信息和量子通信要解决的关键问题，它是量子控制的瓶颈，也是量子计算机发展中的关键。这不可避免的要受到有关系统和环境之间的相互作用。净化是一个传统的方法，即在获得最高的量子纠缠态的同时抵御噪音破坏系统的能力。不幸的是，在持续的噪音下用净化的方法打开量子系统是不实用的。席的团队分析了量子系统的纠缠动力学，获得了一些关于纠缠动力学突然崩溃的性质，特别是和环境温度的关系。

为了使基于量子技术的可能稳态系统成为现实，需要建立更多的先进技术和理论。例如，利用反馈实时控制单个量子系统的可行性。4 控制论中的基本问题

在控制论系统中，依然有许多既基础而又富有挑战性的问题有待解决。这些问题的解决对于控制论的发展无疑是重要的。因此，系统与控制论的研究人员需要在这些方面多加关注。4.1自动控制系统的性能和复杂性

反馈性能是控制论里最基本的问题之一。Wiener提出了两个基本的概念，信息和反馈。目前，反馈被认为是控制论的核心。熟识反馈性能对于控制器的设计时大有裨益的。不仅如此，而且有助于理解控制系统的内在本质。郭和他的研究团队就反馈性能这个问题钻研了好多年，他们通过提出不确定性系统的边界，在这个问题的研究上获得了量子上的结论，成为了该领域的先驱。他们也提出了一些不稳定学说，包括非线性系统的决定性参数顺序和临界价值半径。这些结论激发了对于更宽泛控制系统的性能研究。

许多非线性机械系统有其确定的复杂特性：动态性能的多重平衡，循环和轮流解决顺序。黄河他的合作者研究了此类动态性能的可控性，稳定性以及协调控制，并获得了许多成果。

中北大学2012届本科毕业设计说明书

研究混沌系统的复杂特性，也是一个很有意义的课题。这一课题或许可以在交流通信领域获得潜在的应用。在中国，混沌系统的研究很是活跃。大量的控制性能被研究得出，得出的关于混沌系统的多重诱导因子是一个很有意义的结论，也获得了业界的认可。4.2 复杂系统的鉴别

系统鉴别是现代控制论的一个经典问题，这是由于大部分的现代控制理论都依赖系统的动态模型。因此，为了鉴别不同的复杂系统，我们需要发展新的鉴别技术。

陈和他的研究团队在复杂系统识别这个领域研究了数年，他们的很多研究成果被用在了新的挑战上。对于Wiener模型 和汉密尔顿系统而言，人们提出了新的递归算法和集合算法。更为突出的是，有人在可靠的证据下得出了多输入多输出通道下非线性由暗变明的适应性算法。

一个复杂系统的模型可能不止一个。因此，这一系列模型的数据搜集和识别成为了新一类型的建模和识别问题。这一类型的问题，不论是学术研究还是复杂过程系统的应用都是一个不小的难题。4.3 非线性亦或参数分布系统

将非线性系统线性化是研究非线性系统一种很有效的方法。就线性化而言，非常规状态反馈要比常规状态反馈强大得多。目前，一个很严峻的问题是，为非常规反馈的线性化找到一种充分必要条件或者是找到一种有用的饱和状态。最近的一项研究表明，利用矩阵的半张量结果，再提供数学状态和算法，可以部分解决这个问题。

非线性系统的全面可控性研究成为了非线性控制系统的另一大难题。非最小相位非线性控制系统的稳定性是有名的控制难题。有人提出了李亚普诺夫齐次方程导数的概念，在设计多方面中枢系统时采用这种方法，就可以使得非最小相位非线性控制系统的一个类型可一被非线性状态反馈稳定！

参数分布系统的可控性和客观性是一个很艰难的问题，特别是在系统含有许多不同系数的时候。姚率先将Riemanian几何应用在了这个问题上，后来这个方法也被借鉴到贝壳阴影的可观性研究中。一些其他方面的发展包括：1，对于一维参数分布系统可控性和可观性的直接估计，也包含二次双

中北大学2012届本科毕业设计说明书

曲---抛物线方程。2，Riesz基里和它在波动方程的控制上的应用。5 结束语

经济全球化和中国经济的迅猛发展为中国自动化的发展提供了良机。中国的快速工业化为国内的控制学家和工程学家的发挥和创造提供了一个广阔的发展平台。因此，相比于发达国家，诸如美国，日本，中国必将成为自动控制学和工程学研究人员的乐园，中国能够为其创造性的工作提供良好的环境和空间。

同时，我们必须清醒的认识到，与众多发达国家相比，中国在工业方面的自动控制理论和应用的研究依然有很大差距，尤其是在一些世界尖端水平方面。为了在一些领域赶上亦或是超越他们这些发达的国家，我们任重道远。特别要指出的一点是，我们需要更多的富有独创性的工作；虽然我们面临着巨大挑战，但是我们自信，中国在自动控制领域的研究必将是一片光明！

第三篇：外文翻译-变速器设计

汽车变速器设计

----------外文翻译

我们知道，汽车发动机在一定的转速下能够达到最好的状态，此时发出的功率比较大，燃油经济性也比较好。因此，我们希望发动机总是在最好的状态下工作。但是，汽车在使用的时候需要有不同的速度，这样就产生了矛盾。这个矛盾要通过变速器来解决。

汽车变速器的作用用一句话概括，就叫做变速变扭，即增速减扭或减速增扭。为什么减速可以增扭，而增速又要减扭呢？设发动机输出的功率不变，功率可以表示为 N = wT，其中w是转动的角速度，T是扭距。当N固定的时候，w与T是成反比的。所以增速必减扭，减速必增扭。汽车变速器齿轮传动就根据变速变扭的原理，分成各个档位对应不同的传动比，以适应不同的运行状况。

一般的手动变速器内设置输入轴、中间轴和输出轴，又称三轴式，另外还有倒档轴。三轴式是变速器的主体结构，输入轴的转速也就是发动机的转速，输出轴转速则是中间轴与输出轴之间不同齿轮啮合所产生的转速。不同的齿轮啮合就有不同的传动比，也就有了不同的转速。例如郑州日产ZN6481W2G型SUV车手动变速器，它的传动比分别是：1档3.704:１；2档2.202:1；3档1.414:1；4档1:1；5档（超速档）0.802:1。

当汽车启动司机选择1档时，拨叉将1/2档同步器向后接合1档齿轮并将它锁定输出轴上，动力经输入轴、中间轴和输出轴上的1档齿轮，1档齿轮带动输出轴，输出轴将动力传递到传动轴上（红色箭头）。典型1档变速齿轮传动比是3:1,也就是说输入轴转3圈，输出轴转1圈。

当汽车增速司机选择2档时，拨叉将1/2档同步器与1档分离后接合2档齿轮并锁定输出轴上，动力传递路线相似，所不同的是输出轴上的1档齿轮换成2档齿轮带动输出轴。典型2档变速齿轮传动比是2.2:1，输入轴转2.2圈，输出轴转1圈，比1档转速增加，扭矩降低。

当汽车加油增速司机选择3档时，拨叉使1/2档同步器回到空档位置，又使3/4档同步器移动直至将3档齿轮锁定在输出轴上，使动力可以从轴入轴—中间轴—输出轴上的3档变速齿轮，通过3档变速齿轮带动输出轴。典型3档传动比是1.7:1，输入轴转1.7圈，输出轴转1圈，是进一步的增速。

当汽车加油增速司机选择4档时，拨叉将3/4档同步器脱离3档齿轮直接与输入轴主动齿轮接合，动力直接从输入轴传递到输出轴，此时传动比1:1，即输出轴与输入轴转速一样。由于动力不经中间轴，又称直接档，该档传动比的传动效率最高。汽车多数运行时间都用直接档以达到最好的燃油经济性。

换档时要先进入空档，变速器处于空档时变速齿轮没有锁定在输出轴上，它们不能带动输出轴转动，没有动力输出。

一般汽车手动变速器传动比主要分上述1－4档，通常设计者首先确定最低（1档）与最高（4档）传动比后，中间各档传动比一般按等比级数分配。另外，还有倒档和超速档，超速档又称为5档。

当汽车要加速超过同向汽车时司机选择5档，典型5档传动比是0.87:1，也就是用大齿轮带动小齿轮，当主动齿轮转0.87圈时，被动齿轮已经转完1圈了。

倒档时输出轴要向相反方向旋转。如果一对齿轮啮合时大家反向旋转，中间加上一个齿轮就会变成同向旋转。利用这个原理，倒档就要添加一个齿轮做“媒介”，将轴的转动方向调转，因此就有了一根倒档轴。倒档轴独立装在变速器壳内，与中间轴平行，当轴上齿轮分别与中间轴齿轮和输出轴齿轮啮合时，输出

轴转向会相反。

通常倒档用的同步器也控制5档的接合，所以5档与倒档位置是在同一侧的。由于有中间齿轮，一般变速器倒档传动比大于1档传动比，增扭大，有些汽车遇到陡坡用前进档上不去就用倒档开上去。

从驾驶平顺性考虑，变速器档位越多越好，档位多相邻档间的传动比的比值变化小，换档容易而且平顺。但档位多的缺点就是变速器构造复杂，体积大，现在轻型汽车变速器一般是4－5档。同时，变速器传动比都不是整数，而是都带小数点的，这是因为啮合齿轮的齿数不是整倍数所致，两齿轮齿数是整倍数就会导致两齿轮啮合面磨损不均匀，使得轮齿表面质量产生较大的差异。

手动变速器与同步器

手动变速器是最常见的变速器，简称MT。它的基本构造用一句话概括，就是两轴一中轴，即指输入轴、轴出轴和中间轴，它们构成了变速器的主体，当然还有一根倒档轴。手动变速器又称手动齿轮式变速器，含有可以在轴向滑动的齿轮，通过不同齿轮的啮合达到变速变扭目的。典型的手动变速器结构及原理如下。

输入轴也称第一轴，它的前端花键直接与离合器从动盘的花键套配合，从而传递由发动机过来的扭矩。第一轴上的齿轮与中间轴齿轮常啮合，只要轴入轴一转，中间轴及其上的齿轮也随之转动。中间轴也称副轴，轴上固连多个大小不等的齿轮。输出轴又称第二轴，轴上套有各前进档齿轮，可随时在操纵装置的作用下与中间轴的对应齿轮啮合，从而改变本身的转速及扭矩。输出轴的尾端有花键与传动轴相联，通过传动轴将扭矩传送到驱动桥减速器。

由此可知，变速器前进档位的驱动路径是：输入轴常啮齿轮－中间轴常啮齿轮－中间轴对应齿轮－第二轴对应齿轮。倒车轴上的齿轮也可以由操纵装置拨动，在轴上移动，与中间轴齿轮和输出轴齿轮啮合,以相反的旋转方向输出。

多数汽车都有5个前进档和一个倒档，每个档位有一定的传动比，多数档位传动比大于1，第4档传动比为1，称为直接档，而传动比小于1的第5档称为加速档。空档时输出轴的齿轮处于非啮合位置，无法接受动力传输。

由于变速器输入轴与输出轴以各自的速度旋转，变换档位时合存在一个“同步”问题。两个旋转速度不一样齿轮强行啮合必然会发生冲击碰撞，损坏齿轮。因此，旧式变速器的换档要采用“两脚离合”的方式，升档在空档位置停留片刻，减档要在空档位置加油门，以减少齿轮的转速差。但这个操作比较复杂，难以掌握精确。因此设计师创造出“同步器”，通过同步器使将要啮合的齿轮达到一致的转速而顺利啮合。

目前全同步式变速器上采用的是惯性同步器，它主要由接合套、同步锁环等组成，它的特点是依靠摩擦作用实现同步。接合套、同步锁环和待接合齿轮的齿圈上均有倒角（锁止角），同步锁环的内锥面与待接合齿轮齿圈外锥面接触产生摩擦。锁止角与锥面在设计时已作了适当选择，锥面摩擦使得待啮合的齿套与齿圈迅速同步，同时又会产生一种锁止作用，防止齿轮在同步前进行啮合。当同步锁环内锥面与待接合齿轮齿圈外锥面接触后，在摩擦力矩的作用下齿轮转速迅速降低（或升高）到与同步锁环转速相等，两者同步旋转，齿轮相对于同步锁环的转

速为零，因而惯性力矩也同时消失，这时在作用力的推动下，接合套不受阻碍地与同步锁环齿圈接合，并进一步与待接合齿轮的齿圈接合而完成换档过程

自动变速器

自动变速器的选挡杆相当于手动变速器的变速杆，一般有以下几个挡位：P(停车)、R(倒挡)、N(空挡)、D(前进)、S(or2，即为2速挡)、L(or1，即为1速挡)。这几个挡位的正确使用对于驾驶自动变速器汽车的人来说尤其重要，下面就让我们一起来熟悉一下自动变速器各挡位的使用要领。



●P(停车挡)的使用

发动机运转时只要选挡杆在行驶位置上，自动变速器汽车就很容易地行走。而停放时，选挡杆必须扳入P位，从而通过变速器内部的停车制动装置将输出轴锁住，并拉紧手制动，防止汽车移动。



●R(倒挡)的使用

R位为倒挡，使用中要切记，自动变速器汽车不像手动变速器汽车那样能够使用半联动，故在倒车时要特别注意加速踏板的控制。



●N(空挡)的使用

N位相当于空挡，可在起动时或拖车时使用。在等待信号或堵车时常常将选挡杆保持在D位，同时踩下制动。若时间很短，这样做是允许的，但若停止时间长时最好换入N位，并拉紧手制动。因为选挡杆在行驶位置上，自动变速器汽车一般都有微弱的行驶趋势，长时间踩住制动等于强行制止这种趋势，使得变速器油温升高，油液容易变质。尤其在空调器工作、发动机怠速较高的情况下更为不利。有些驾驶员为了节油，在高速行驶或下坡时将选挡杆扳到N位滑行，这很容易烧坏变速器，因为这时变速器输出轴转速很高，而发动机却在怠速运转，油泵供油不足，润滑状况恶化，易烧坏变速器。



●D(前进挡)的使用

正常行驶时将选挡杆放在D位，汽车可在1～4挡(或3挡)之间自动换挡。D位是最常用的行驶位置。需要掌握的是：由于自动变速器是根据油门大小与车速高低来确定挡位的，所以加速踏板操作方法不同，换挡时的车速也不相同。如果起步时迅速将加速踏板踩下，升挡晚，加速能力强，到一定车速后，再将加速踏板很快松开，汽车就能立即升挡，这样发动机噪声小，舒适性好。

D位的另一个特点是强制低挡，便于高速时超车，在D位行驶中迅速将加速踏板踩到底，接通强制低挡开关就能自动减挡，汽车很快加速，超车之后松

开加速踏板又可自动升挡。



●S、L位低挡的使用

自动变速器在S位或L位上处于低挡范围，可以在坡道等情况下使用。下坡时换入S位或L位能充分利用发动机制动，避免车轮制动器过热，导致制动效能下降。但是从D位换入S位或L位时，车速不能高于相应的升挡车速，否则发动机会强烈振动，使变速器油温急剧上升，甚至会损坏变速器。



另外在雨雾天气时，若路面附着条件差，可以换入S位或L位，固定在某一低挡行驶，不要使用能自动换挡的位置，以免汽车打滑。同时必须牢记，打滑时可将选挡杆推入N位，切断发动机的动力，以保证行车安全。

原文：

Transmission design

As we all know,automobile engine to a certain speed can be achieved under the best conditions, when compared issued by the power, fuel economy is relatively good.Therefore, we hope that the engine is always in the best of conditions to work under.However, the use of motor vehicles need to have different speeds, thus creating a conflict.Transmission through this conflict to resolve.Automotive Transmission role sum up in one sentence, called variable speed twisting, twisting or slow down the growth rate by increasing torsional.Why can slow down by twisting, and the growth rate but also by twisting? For the same engine power output, power can be expressed as N = wT, where w is the angular velocity of rotation, and T Niuju.When N fixed, w and T is inversely proportional to the.Therefore, the growth rate will reduce twisting, twisting slowdown will increase.Automotive Transmission speed gear based on the principle of variable twisted into various stalls of different transmission ratio corresponding to adapt to different operational conditions.General to set up a manual gearbox input shaft, intermediate shaft and output shaft, also known as the three-axis, as well as Daodang axis.Three-axis is the main transmission structure, input shaft speed is the speed of the engine, the output shaft speed is the intermediate shaft and output shaft gear meshing between different from the speed.Different gears are different transmission ratio, and will have a different speed.For example Zhengzhourichan ZN6481W2G manual transmission car-SUV, its transmission ratio are: 1 File 3.704:1;stalls 2.202:1;stalls 1.414:1;stalls 1:1 5 stalls(speeding file)0.802: 1.When drivers choose a launch vehicle stalls, Plectrum will be 1 / 2 file synchronization engagement with a back stall gear and output shaft lock it, the power input shaft, intermediate shaft and output shaft gear of a stall, a stall the output shaft gear driven, and the output shaft power will be transmitted to the drive shaft(red arrow).A typical stall Biansuchilun transmission ratio is 3:1, that is to say three laps to the input shaft and output shaft to a circle.When the growth rate of car drivers choose two stalls, Plectrum will be 1 / 2-file synchronization and file a joint separation after 2 stall and lock the output shaft gear, power transmission line similar, the difference is that the output shaft gear of a stall 2 stall replaced by the output shaft gear driven.2 stall Biansuchilun typical transmission ratio is 2.2:1, 2.2 laps to the input shaft and output shaft to a circle than a stall speed increase, lower torque.When refueling vehicle drivers growth stalls option 3, Plectrum to 1 / 2 back to the free file-synchronization position, and also allows the 3 / 4 file synchronization Mobile stall until 3 in the output shaft gear lock, power can be into the shaft axisthe output shaft of the three stalls Biansuchilun, led through three stalls Biansuchilun output shaft.3 stalls typical transmission ratio is 1.7:1, 1.7 laps to the input shaft and output shaft to a circle is further growth.When car drivers Option 4 refueling growth stalls, Plectrum will be 3 / 4 from the 3-file synchronization stall gear directly with the input shaft gear joint initiative, and power transmission directly from the input shaft to the output shaft, the transmission ratio at 1:1, that the input shaft and output shaft speed the same.The driving force without intermediate shaft, also known as direct file, the file transmission than the

maximum transmission efficiency.Most cars run-time files are used directly to achieve the best fuel economy.Shift into the first interval when, in a free transmission when Biansuchilun output shaft is not locked in, they can not rotate the output shaft driven, not power output.General automotive manual transmission than the main 1-4 stalls, usually the first designers to determine the minimum(one stall)and maximum(4 files)transmission ratio, the middle stall drive by geometric progression than the general distribution.In addition, there are stalls Daodang and speeding, speeding file is also known as the five stalls.When the car to accelerate to more than car drivers with the choice of five stalls, and a typical five-transmission ratio is 0.87:1, which is driven by a pinion gear, the gear when the initiative to 0.87 zone, passive gear have been transferred to a circle of the End.Dao Dang, the opposite direction to the output shaft rotation.If one pair of meshing gears when we reverse rotation, with a middle gear, it will become the same to the rotation.Use of this principle, we should add a gear Daodang the “media” will be rotational direction reversed, it will have a Daodang axis.Daodang installed in the transmission shaft independent crust, and the intermediate shaft parallel axis gear with the intermediate shaft and output shaft gear meshing gears, will be contrary to the output shaft.Daodang usually used for the synchronization control also joins five stalls, stalls and Daodang 5 position in the same side.As a middle gear, the general transmission Daodang transmission ratio greater than 1 file transmission ratio, by twisting, steep slope with some vehicles encountered on the progress stalls falters with a Daodang boost.Ride from the driver of the considerations, better transmission stall, stall adjacent stall more than the transmission changes the ratio of small, and easy to shift smoothly.However, the shortcomings of the stalls is more transmission structure is complicated, bulky, light vehicle transmission is generally 4-5 stalls.At the same time, transmission ratio is not integral, but with all of the decimal point, it is because of the gear teeth meshing is not caused by the whole multiples of two gear teeth can lead to the whole multiples of two meshing gears of uneven wear, making the tooth surface quality have a greater difference.Manual transmission and synchronizer

Manual transmission is the most common transmission, or MT.Its basic structure sum up in one sentence, is a two-axle shaft, where input shaft, the shaft axis and intermediate shaft, which constitute the main body of the transmission and, of course, a Daodang axis.Manual transmission known as manual gear transmission, which can be in the axial sliding gears, the gears meshing different variable speed reached twisting purpose.Typical manual transmission structure and principles are as follows.Input shaft also said that the first axis, and its front-end Spline driven directly with the clutch disc sets with the Spline, by the transfer of torque from the engine.The first axis of the intermediate shaft and gears meshing gears often, as long as the shaft axis to a turn, the intermediate shaft and gear also will be rotating.Vice also said intermediate shaft axis, the axis-even more than the size gear.Also known as the second output shaft axis, the axis of various sets of gear stall progress can be manipulated at any time in the

role of the device and the corresponding intermediate shaft gear meshing, thus changing its speed and torque.With the end of the output shaft spline associated with the drive shaft through the drive shaft torque transmitted to the drive axle reducer.Thus, progress stalls drive transmission path is: input shaft gear often rodentscorresponding intermediate shaft gear-the second axis corresponding gear.Reversing the gear shaft can be manipulated by the device pick in the axis movement, and the intermediate shaft and output shaft gear meshing gears, to the contrary to the direction of rotation output.Most cars have five stalls and a Daodang forward, a certain degree of each stall transmission ratio, the majority of stalls transmission ratio greater than 1, 4 file transmission ratio of 1, known as direct stalls, and transmission ratio is less than 1 No.5 stall called accelerated stall.Free at the output shaft gear in a position of non-engagement, unacceptable power transmission.The transmission input shaft and output shaft rotational speed to their own, transform a stall when there is a “synchronous”.Two different rotational speed gear meshing force will impact the collision occurred, damage gear.Therefore, the old transmission shift to a “feet-off” approach, or stall on the location of the free stay for a while by stalls in the free position refueling doors, in order to reduce the speed differential gear.However, this operation is relatively more complicated and difficult to grasp accurate.So designers create a “synchronized,” and allows synchronization through the meshing of gears to be consistent speed and smooth meshing.At present Synchronous Transmission is based on the synchronization of inertia, mainly from joint sets, synchronous lock ring, and so on, it is characterized by friction on the role of synchronization.Splice sets Genlock engagement ring gear and the ring gear when it had Chamfer(Lock angle), Genlock within the cone ring gear engagement with the question of cone ring gear contact friction.Lock and cone angle has been made in the design of an appropriate choice to be made friction cone of the teeth meshing with the ring gear quickly sets pace at the same time will have a Lock role and to prevent the gears meshing in sync before.When synchronization lock cone ring gear engagement with the question of cone ring gear after contact in the effects of friction torque gear speed quickly lower(or higher)with the same speed synchronous lock ring, the two synchronous rotation of the gear Genlock Central zero speed, thus moment of inertia also disappear, then in force under the impetus of engagement sets unhindered and synchronization lock ring gear engagement, and further engagement with the question of gear engagement and the completion Gear Shift Process.The automatic gearbox The automatic gearbox chooses to block the pole the equal to moving the stick shift of the gearbox, having generally below several blocks:P(parking), R(pour to block), N(get empty to block), D(go forward), S(or2, namely for 2 block soon), L.(or1, namely for 1 block soon)This several an usage for blocking a right usages coming driver the automatic gearbox is automotive of person to say particularly important, underneath let us very much familiar with once automatic gearbox eachly blockings main theme.The usage of the P(the parking blocks)The launches the luck turns as long as choose to block the pole in driving the position, automatic gearbox car run about very easily.But park, choose to block the pole

must pull into of P, from but pass the internal parking system in gearbox moves the device will output the stalk lock lives, combining to tense the hand system move, preventing the car ambulation.The usage of the R(pour to block)R a control for is pouring blocking, using inside wanting slicing recording, automatic gearbox car unlike moving gearbox car so can using half moving, so while reversing the car wanting special attention accelerating pedal.The usage of the N(get empty to block)The N is equal to get empty to block, can while starting or hour of trailer usage.At wait for the signal or block up the car will often often choose to block the pole keeps in the of D, trampling at the same time the next system move.If time is very short, do like this is an admission of, but if stop the time long time had better change into of N, combine to tense the hand system moves.Because choose to block the pole in driving the position, the automatic gearbox car has generally and all to drive the trend faintly, long hours trample the system move same as a deterrent this kind of trend, make gearbox oil gone up, the oil liquid changes in character easily.Particularly in the air condition machine work, launch the soon higher circumstance in machine bottom more disadvantageous.Some pilots for the sake of stanza oil, at made good time or go down slope will choose to block the pole pull the of N skids, this burn the bad gearbox very easily, launching the machine to revolves soon in the however because the gearbox outputs at this time the stalk turns soon very high， the oil pump provides the oil shortage, lubricating the condition worsen, burn the bad gearbox easily.

The usage of the D(go forward to block)Will choose to block when is normal to drive the pole put in the of D, car can at 1 ～ 4 block(or 3 block)its change to block automatically.The of D drives the position most in common usely.What demand control is:Because the automatic gearbox is soon high and low with car to come to make sure to block according to the accelerator size a, so accelerate the pedal operation method is different, changing to block the hour of the car is soon too not same alike.If start hour quick accelerate the pedal tramples the bottom, rising to block the night, accelerating the ability is strong, arriving certain car soon behind, then will accelerate the pedal loosen to open very quickly, car can rise to block immediately, launch like this the machine voice is small, comfortable good.The another characteristics of the D is a compulsory low blocking, easy to high speed the hour overtakes a car, will accelerate quickly in of D drove the pedal trample after all, connect the compulsory low fend off the pass and then can reduce to block automatically, the car accelerates very quickly, after overtaking a car loosen to open the pedal of acceleration to can rise to block automatically again.The usage of the S, of L low the usage that block The automatic gearbox in in is placed in the low blocking the scope on of S or of Ls, can usage under an etc.circumstance.It change to can make use of to launch well into of S or of Ls the mechanism move, avoiding the car wheel system move the machine over hot, cause the system move the effect descent while going down slope.But change into from the of D of S or of L, car soon can't higher than rise to block the car homologously soon, otherwise strong vibration in opportunity to launch, make gearbox oil hoicked, even will damage the gearbox.The is another at rain fog weather hour, if the road adheres to the term bad, can change into a position for or of L, fixing at somely first lowly blocking driving, doing not use can automatically changing blocking, in order to prevent the car beats slippery.Must keep firmly in mind at the same time, beat the slippery hour can will choose to block the pole pushes into a motive for, cutting off launching machine, toing guarantee a car the safety.

第四篇：变速器设计-外文翻译

Dynamic Modeling of Vehicle Gearbox for Early Detection of Localized Tooth Defect

Helwan University ABSTRACT Dynamic modeling of the gear vibration is a useful tool to study the vibration response of a geared system under various gear parameters and operating conditions.An improved understanding of vibration signal is required for early detection of incipient gear failure to achieve high reliability.However, the aim of this work is to make use of a 6-degree-of-freedom gear dynamic model including localized tooth defect for early detection of gear failure.The model consists of a gear pair, two shafts, two inertias representing load and prime mover and bearings.The model incorporates the effects of time-varying mesh stiffness and damping, backlash, excitation due to gear errors and modifications.The results indicate that the simulated signal shows that as the defect size increases the amplitude of the acceleration signal increases.The crest factor and kurtosis values of the simulated signal increase as the fault increases.Though the crest factor and kurtosis values give similar trends, kurtosis is a better indicator as compared to crest factor.KEYWORDS：Vibration acceleration, system modeling, Crest Factor, Kurtosis value, defect size, gear meshing, pinion, gear NOMENCLATURE JD，J1，J2，JL

Drive motor, pinion, gear, and load mass moment of inertia

Nagwa Abd-elhalim, Nabil Hammed, Magdy Abdel-hady，Shawki Abouel-Seoud and Eid S.Mohamed

replacement decision in a suitable time.m1，mMasses of pinion and gear.TD

Driving motor torque.TL

Load torque.第 1 页

共 7 页

TF1，TFFriction torque.C1，C2

Viscous damping coefficient of pinion and gear bearing.Cm

Gear mesh damping.Gear mesh stiffness.Km

K1，K2

Pinion and gear shaft stiffness.4

The variance square.N

The number of samples.f

The defect width in face direction.Unit width Hertzian stiffness.KhD，1，2，L Angular displacement of drive motor, pinion, gear and load.D，1，2，L Angular velocity of drive motor, pinion, gear and load.，，， Angular acceleration of drive motor, pinion, gear and load.D12LINTRODUCTION Much of the past research in the dynamic modeling area has concluded that an essential solution to the problem is to use a comprehensive computer modeling and simulation tool to aid the transmission design and experiments.These have been two major obstacles to such an approach:(1)Progress in understanding of the basic gear rattle phenomenon has been limited and slow.This is because the engine-clutch-transmission system involves some strong nonlinearities including gear backlash, multi-valued springs, dry friction, hysteresis, and the like.(2)The gear rattle is a system problem and not only problem of gear teeth.Even through the research and industrial community has discussed the difficulties in varies stages of the problem, yet no thorough frame work covering the entire investigation process of such problem currently exists.This is largely due o the complexity of the power train system, which

第 2 页

共 7 页

may make a computer analysis tool inefficient, in particularly when many different elements and clearances are encountered(e.g., gears, bearings, splines, synchronizers, and clutch)[1-3].A comprehensive review of mathematical models used in gear dynamics, published before 1986, has been presented by [4].In this review, gear dynamic models without defects have been discussed.In the past few years, researchers have been working on the gear dynamic models which include defects like pitting, spalling, crack and broken tooth.A single-degree-of-freedom model is used which include the e4ffects of variable mesh stiffness, damping, gear errors, profile modifications and backlash.The effect of time-varying meshing damping is also included in this case, The solution is obtained by using the harmonic balance methods.A method of calculated the optimum profile modification has been proposed in order to obtain a zero vibration of the gear pair [5-7].They also proposed a linear approximate equation to mode the gear pair by using a single-degree-of freedom model Gear rattle vibration is a undesirable vibration for passenger cars and light trucks equipped with manual transmissions.Unlike automatic transmissions, manual transmission do not have the high viscous damping inherent to a hydrodynamic torque converter to suppress the impacting of gear teeth oscillating through their gear backlash.Therefore a significant level of vibration an be produced by the gear rattle and transmitted both inside the passenger compartment and outside the vehicle.Gear rattle, idle shake, and other vibration generated in the automobile driveline have become an important concern to automobile manufactures in their pursuit of an increased level of perception of high vibration quality.The torsional vibration o driveline is a major source of gear rattle vibration.The manual transmission produces gear rattle by the impacting of gear oscillating through their gear backlash.The impact collisions are transmitted to the transmission housing via shafts and bearings [8].The gear pair dynamic models including defects have been done by [9].The study

第 3 页

共 7 页

suggests that little work has been done on modeling of gear vibration with defect and an accurate analytical procedure to predict gear vibrations in the presence of local tooth fault has yet to be developed.However, the purpose of this paper is to develop a multidegree-of-freedom nonlinear model for a gear pair that can be used to study the effect of lateral-torsional vibration coupling on vibration response in the presence of localized tooth defect.A typical fault signal is assumed to be impulsive in nature because of the way it is generated.The simulation artificially introduced pitting in gears in multi-stage automotive transmission gearbox at different operation conditions(load, speed, etc).The processing of simulated and experimental signals is also introduced.SIGNAL-PROCESSING TECHNIQUE Among various signal-processing techniques, crest factor and kurtosis analysis have been used for analyzing the whole vibration signal for the early detection of fault.In this section, crest factor and kurtosis value have been explained.MATHEMATICAL MODEL FORMULATION

Helical gears are almost always used in automotive transmissions.The meshing stiffness of a helical tooth pair is time-varying [10], and was modeled as a series of suggested spur gears so that the simulation techniques for spur gears can be applied.where M is Module(mm), b is Face width(mm),  is pressure angle(deg),  is helix angle(deg)and D1 is pitch diameter(mm).Fig.2 shows the equivalent gear system in the first gear-shift, where the main parameters for the gear system of Fiat-131 gearbox and the equivalent gear system in the first gear-shift are also shown in the figures.第 4 页

共 7 页

汽车变速箱动态建模轮齿局部缺陷的早期检测

Nagwa Abd-elhalim, Nabil Hammed, Magdy Abdel-hady，Shawki Abouel-Seoud and Eid S.Mohamed

阿勒旺大学

摘要

在研究齿轮系统中各种齿轮参数的振动响应和操作条件时，齿轮振动的动态建模是一个非常有用的工具。对早期的齿轮检测提出了一种改进理解的振动信号，但还没达到高的可靠性。但是，这项工作的目的是利用一个6自由度的齿轮动力学模型对齿轮轮齿缺陷故障的早期检测。该模型包括一对齿轮副、两个轴、两个惯性负载、动力传动装置和轴承。由于齿轮的误差和变动，该模型被采用时受到时变啮合刚度、阻尼、反弹和励磁的影响。模拟信号显示的结果表明，随着缺陷尺寸的增加加速度信号的振幅增加。模拟信号的波峰因素和峰值随着缺陷的增加而增加。虽然波峰因素和峰值做同样的趋势，但和波峰因素相比峰值是一个比较好的指标。关键词：振动加速度、系统建模、波峰因素、峰值、缺陷大小、齿轮啮合、齿轮 专业术语

JD，J1，J2，JL

驱动电机、小齿轮、大齿轮和负载在一定时间内的惯性矩 m1，m

1大齿轮、小齿轮的模数 TD

发动机驱动转矩 TL

负载力矩 TF1，TF摩擦力矩

C1，C2

齿轮、轴承的粘滞阻尼系数

Cm

齿轮啮合阻尼

齿轮啮合刚度 Km

K1，K齿轮、齿轮轴的刚度



平方差

第 5 页

共 7 页 4

N

样本数量

f

宽度方向的缺陷

单位宽度的刚度 KhD，1，2，L

驱动电机、小齿轮、大齿轮和负载的角位移 D，1，2，L

驱动电机、小齿轮、大齿轮和负载的角速度

，，，

驱动电机、小齿轮、大齿轮和负载的角加速度 D12L引言

在大多数过去的动态建模研究领域中，解决问题的重要办法是全面使用计算机建模和仿真工具来辅助变速器的设计和实验。这种方法有两种主要的障碍：（1）对齿轮传动中噪声基本认识的进展是有限的和缓慢的。这是因为发动机离合器传动系统中包括齿轮侧隙、多值弹簧、非线性滞后等等。（2）齿轮发出的噪声是一个系统问题，并不是齿轮的唯一问题。既使是工业研究领域已经讨论了这个问题在不同阶段所出现的不同问题，但并没有彻底覆盖工作的框架，整个研究过程中的问题依然存在。这主要是由于列车电力系统的复杂性，可能导致你的计算机的分析工具效率不高，尤其是工作中遇到许多不同的因素和间隙（例如：齿轮、轴承、花键、同步器和离合器）。

在1986年出版之前，对齿轮动力学中提出的齿轮动态建模进行了审查。这次审查中，对不存在齿轮缺陷的齿轮动力学模型进行了讨论。在过去的几年里，研究人员对齿轮的动态模型缺陷进行了研究，其中包括点蚀、剥落、裂缝和齿轮折断等。

单自由度系统模型中，对啮合刚度的影响包括4个方面的因素，阻尼、齿轮误差、轮廓变动和齿侧间隙，时变啮合阻尼效应也包含在这种情况中。解决问题的方法是利用谐波平衡的方法。为了实现齿轮副的零振动，提出了一种最优化的计算方法。他们还利用齿轮副单自由度模型提出了一个近似的线性方程模型。

齿轮噪声振动是轿车和轻型货车手动变速箱中的不良振动。不同于自动变速箱的是，手动变速箱没有一个固有的高粘性阻尼液力变矩器以制止通过齿轮侧隙造成的齿轮摆动的影响。因此，无论是在车厢内外由齿轮振动和传动产生的噪声，对车

第 6 页

共 7 页

辆振动的影响都非常大。随着人们对汽车高性能振动的追求，齿轮松动、振动以及其他汽车传动系产生的噪声已成为人们关注的重点。传动系统中的扭转振动是齿轮振动的一种主要噪声来源。手动变速箱产生的齿轮噪声是由于齿轮受到齿轮间隙振动的影响。通过轴和轴承把碰撞产生的影响传输到变速箱壳体。

对齿轮副的动态模型缺陷的研究结果表明，对齿轮副动态模型缺陷已做了大量工作，用准确的分析方法对齿轮振动的检测在当时轮齿故障方面还没得到发展。然而，本研究的目的是建立一个多自由度非线性模型用于研究，结果表明轮齿局部缺陷的扭转振动是耦合振动的响应。由于他的产生一个典型的故障信号被假设为自然的脉冲信号。在不同操作条件下（负荷、转速等），模拟人工对多级汽车变速器齿轮缺陷进行了介绍。同时也对信号的仿真和实验处理进行了介绍。信号处理技术

在各种各样的信号处理技术中，波峰因素、峰值已用于分析整个振动信号的早期故障。在本节中，波峰因素和峰值已被解释。数学模型

汽车变速器中的齿轮大都是斜齿圆柱齿轮。被视为一系列齿轮仿真技术适用于螺旋状的轮齿时变啮合刚度。式中m是模数(毫米),b齿面宽(毫米),是压力角(度),是螺旋角(度)，D1是直径(毫米)。图2的数据显示了等效齿轮系统在齿轮变动中变速箱齿轮系统的主要参数。

第 7 页

共 7 页

第五篇：双轴加速度传感器ADXL202及其应用设计

双轴加速度传感器ADXL202及其应用设计

2009年03月29日 15:08 不详 作者：北京交通大学 翟飞 用户评论（0）关键字：

引言

ADXL202是ADI公司出品的一款双轴加速度测量系统，模拟输入，可测量动态加速度和静态加速度，测量范围为±（2～10）g，输出为周期可调的脉宽调制信号，可以直接与单片机或计数器连接。LPC2103为飞利浦公司的一款ARM7系列微控制器，主要用于工业控制、医疗系统、访问控制、POS机、通信网关等领域。本文使用LPC2103实现对ADXL202加速度数据的采集与处理。1 ADXL202加速度传感器

1.1 ADXL202的引脚定义及基本特性

ADXL202为单片集成电路，集成度高、结构简单，内部包含多晶硅表面微处理传感器和信号控制电路，以实现开环加速度测量结构。与其他加速度计相比，ADXL202可在很大程度上提高工作带宽，降低噪声影响，零重力偏差和温度漂移也相对较低。图1所示为ADXL202传感器的引脚定义。

图1 引脚定义

ST： 自检，用于控制芯片自检功能。接VDD时，输出占空比为10%的波形，说明芯片正常工作。

COM： 引脚4、7。使用时需将2个COM端接在一起并接地。

T2： 经电阻RSET接地，调节输出信号周期。输出信号周期T2=RSET/（125 MΩs-1）。

VDD： 电源。工作电压范围为+3.0～+5.25 V，可经过100 Ω的去耦电阻接电源。

XFILT、YFILT： 经电容接地，用于改变带宽、滤除噪声和抑制零点漂移。

Xout、Yout: 输出。

图2为ADXL202传感器的内部结构原理图。ADXL202传感器由振荡器，X、Y方向传感器，相位检波电路以及占空比调制器组成，具有数字输出接口和模拟电压信号输出接口。X、Y方向传感器是2个相互正交的加速度传感器，它们同时工作，可以测量动态变化的加速度和恒定的加速度。传感器之后级连相位检波器，主要是用来修正信号，并对信号的方向做出判断。检波器输出的信号，通过一个32 kΩ 的电阻来驱动占空比调制器，通过在XFILT和YFILT 引脚外接电容CX和CY来改变带宽。

图2 传感器内部结构原理图

1.2 测量数据的计算及处理

(1)信号带宽的计算通

过CX和CY来设定带宽，在XFILT和YFILT引脚接上电容，通过低通滤波器来减少噪声。3 dB带宽的公式为：f=5 μF/C(x,y)(电容最小值为1 000 pF)(2)加速度的计算

输出信号周期T2=RSET /(125 MΩs-1)，如图3所示。

图3 占空比信号

信号通过低通滤波器之后，占空比调制器把信号转换为数字信号输出。通过T2引脚的外接电阻可以改变T2的周期（0.5～10 ms），这很适于在精度要求不同的场合下使用。输出的占空比信号通过计数器可以计算出占空比。加速度的计算可以通过下式得到：

a=(T1/T2-0.5)/（12.5%）

例如，当加速度为0g时，信号宽度T1与空闲宽度（T2－T1）相同，输出信号的占空比为50％；当加速度为1g时，信号宽度T1与空闲宽度（T2－T1）的比值为5∶3，输出信号的占空比为62.5％。1.3 ADXL202的典型应用

ADXL202传感器最重要的应用之一是倾斜度的测量。在进行倾斜度测量时，需要让传感器的敏感轴（x轴）与重力方向垂直。如果与重力方向平行，物体倾斜对于加速度数据的影响可以忽略不计。图4所示为加速度测量的原理图。

图4 加速度测量

当ADXL202与重力矢量垂直时，其输出随倾斜度的变化大约为每度17.5 mg，当两者呈45°时，输出变化值仅为每度12.2 mg，分辨率降低。表1为倾斜角度与加速度变化的关系。

表1 倾斜角度与加速度变化的关系 应用电路设计 2.1 硬件接口设计

LPC2103是一个支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMIS CPU，并带有8 KB片内SRAM和32 KB嵌入的高速片内Flash内存。LPC2103具有LQFP48的较小封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、2个外部中断、最多可达32个GPIO。通过可编程的片内PLL（可能的输入频率范围：10～25 MHz）可实现最高70 MHz 的CPU 时钟频率。ADXL202传感器与LPC2103的接口电路如图5所示。

图5 ADXL应用电路图

ADXL202加速度传感器的T2经125 kΩ电阻接地，可以得到信号输出的周期为1 ms。

13、14引脚接+5 V电源，XFILT和YFILT经0.1 μF电容接地，用于设置50 Hz带宽。两路输出分别与LPC2103的P0.0和P0.2引脚相接，作为数据传输线。数据传输有两种方法，分别为普通GPIO口方式和定时器捕获中断方式。

2.2 普通GPIO口方式

由于传感器输出均为DCM信号，无论采用什么方式进行数据接收，都需要定时器/计数器工作，对DCM信号进行计时处理。因此，程序首先要对定时器进行初始化。然后分别对DCM信号的高电平和低电平持续时间进行计时，得到T1、T2的值，再进行加速度计算。由于默认情况下GPIO均为普通I/O方式，所以开始不用设置PINSEL寄存器。普通GPIO口方式程序如下： #define KEY 0x00000001//X轴加速度P0.0,前向加速度 T1PR=0;//预分频为0，使得T1TC即为pclk个数 while((IOPIN&KEY)!=0);//下降沿或低电平跳出 while((IOPIN&KEY)==0);//上升沿或高电平跳出 T1TCR=0x03;//启动并复位T1TC T1TCR=0x01;while((IOPIN&KEY)!=0);//下降沿跳出,等下降沿来临 t1=T1TC;//取此时计数器的值 T1TC=0x00;//复位计数器

while((IOPIN&KEY)==0);//上升沿跳出，等待上升沿的来临 t2=T1TC;T1TCR=0x00;//关闭定时/计数器T1 a1=(((fp32)t1/((fp32)t2+(fp32)t1))-0.5)*8;//计算加速度

普通GPIO口方式的程序比较简单，虽然程序的执行需要时间，但由于LPC2103的主频可以达到40 MHz，执行几条指令只需几微秒，所以产生的误差会很小。但普通GPIO方式程序执行时，CPU一直在等待上升沿或下降沿的到来，大大降低了CPU的使用效率。可以使用图5所示Xout与LPC2103的接口方式。2.3 定时器捕获中断方式

如图5所示，Yout与LPC2103的P0.2引脚相接，利用P0.2的功能复用，可以实现定时器捕获中断方式接收传感器数据。主要程序段如下： #define ya 0x00000004//引脚功能初始化

PINSEL0=0x00000020;//设置引脚连接为定时器0的捕获通道0 PINSEL1=0x00000000;//向量中断设置

VICIntSelect=0x00000000;//设置所有中断为IRQ中断 VICVectCntl0=0x24;//定时器0中断为最高优先级

VICIntEnable=0x0010;//使能定时器0中断定时器0初始化 T0PR=0;//预分频为0，使T0TC即为pclk的个数

T0CCR=0x07;//置TIMER0的CAP0为上升、下降沿捕获，触发中断 T0MR0=0xFFFFFFFF;//设置匹配值 T0TCR=0x03;//启动并复位T0TC T0TCR=0x01;//中断服务程序 void __irq time0(void){ T0IR = 0x10;//复位定时器中断标志 if((IOPIN&ya)==0){ t1=T0CR0;//读取T0TC T0TC=0x00;//复位T0TC } else if((IOPIN&ya)!=0){ t2=TOCR0;//读取TOTC T0TC=0x00;//复位T0TC } VICVectAddr =0x00;//中断处理结束 }

中断处理程序运行之后，得到的信号周期应为T2=t1+t2。故加速度为(((fp32)t1/((fp32)t2+(fp32)t1))-0.5)*8。使用中断服务程序大大提高了CPU的使用效率，但程序较为复杂，并且占用了一个中断向量通道。结语

ADXL202传感器的应用方法经过验证完全可行，并且能够达到较高的测量精度。由于集成度高，由ADXL202和ARM系列微控制器组成的系统完全可以用于汽车、火车等交通工具的安全控制系统。ADXL202在惯性导航、倾斜感应、地震监控及汽车保险等领域都有着广泛的应用，精度高、集成度高、功耗低等特点使之完全可以取代传统的加速度传感器。

参考文献

[1] 周立功.ARM微控制器基础与实战 [M].北京:北京航空航天大学出版社 ,2003.[2] ADI.Low Cost ±2g/10g Dual Axis iMEMS Accelerometers with Digital Output ADXL202/ADXL210 Technical Note,1999.