一种仿生动态倾角传感器的设计与实现

作     者：赵前程 

作者单位：北京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭磊

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：倾角传感器 仿生动态 偏心结构 多轴球型 图像采集 

摘      要：在传感器大家族中,倾角传感器在姿态测量方面起着重要作用。目前市场上一部分倾角传感器只能用于静态环境下进行倾角测量,而能用于动态系统中进行倾角测量的传感器,其价格又比较昂贵。并且在未来的物联网大时代,传统的传感器远远达不到物联网所需要的水平。因此,在实际应用中设计一种新型实用的倾角传感器是非常有意义的。文中利用仿生学原理,设计了一种新型单轴柱型动态倾角传感器,并对新结构的多轴球型倾角传感器进行了初步探索。首先设计了一种仿生动态单轴柱型倾角传感器,它在结构上由阻尼板、柱型外壳、阻尼液体、E型铁氧体、环型铁氧体及转轴组成。结构部分设计的关键,一是采用铁氧体环固定在内部阻尼板上;二是环型铁氧体的轴心与内部阻尼板的旋转轴不重合,但两者是平行的,即传感器内部转子部分是偏心结构。由传感器内的磁路分析可知,当传感器发生旋转运动时,线圈中电感量发生改变,由于电感量不容易测量,又设计了波形转换电路,这样就将变化的倾角值θ转换成了对应的频率值L。为了测量频率值L,设计了数据采集模块,利用C8051单片机可编程计数阵列PCA进行频率数据采集,采集到的数据通过TTL串口发送给上位机,并在上位机界面上显示出来。由于单轴柱型倾角传感器只能进行单方向的倾角测量,所以进行了多轴球型倾角传感器的设计。根据磁阻和图像两种非电量转换方案,设计了多轴磁阻型和多轴图像型两种球型倾角传感器。多轴磁阻型倾角传感器是在单轴柱型倾角传感器设计基础上改进的,它在结构上主要由外球壳,阻尼液体,球型铁氧体和E型铁氧体组成。原理上与单轴柱型传感器的测量类似,也是将倾角值θ转换成了对应的频率值L,采集频率值并显示。多轴图像型倾角传感器主要由外球壳、内部彩色小球、步进电机、联轴器、图像采集模块、以及支架和底盘组成。其中彩色小球位于外球壳的球腔内,图像采集模块固定在外球壳北极位置,当传感器旋转时,彩色小球在重力的作用下向新的平衡位置滑动,图像采集模块通过颜色识别和色块追踪的方法进行小球的定位,通过TTL串口打印输出小球的位置坐标,结合辅助定位标志点计算出传感器旋转的角度。最后设计了单轴柱型和多轴球型倾角传感器综合实验平台,并搭建实物样机进行实验,将采集到的实验数据和理论数据在MATLAB中进行仿真对比。通过对比曲线图可以看出,单轴柱型传感器输出的实验数据和理论数据吻合度比较高,证明了所设计倾角传感器的有效性,并且通过从平移运动的结果可以看出,该传感器对平动噪声有一定的抑制作用。而多轴球型倾角传感器的测量误差在3°以内,可以结合视觉基准系统AprilTag提高测量精度。