一种角度自动标定的角度传感器及其标定测量方法

本发明涉及传感器，特别涉及一种角度自动标定的角度传感器及其标定测量方法。

背景技术：

1、从工业自动化到医疗领域，机器人技术改变了许多行业。而对于向机器人控制器发送必要的信息以实现精准的运动控制来说，精确的位置传感至关重要。测量机器人手臂或旋转轴的角位置，传统的解决方案是使用光学编码器、磁性角度传感器。

2、光学编码器虽然分辨率很高但是价格昂贵且在多尘和肮脏的环境(例如工业应用)中，污染物将积聚在编码盘上，影响可靠性和准确性。磁性角度传感器使用磁性编码盘代替开槽的光电编码盘，耐用性和抗振优于光学编码器。但是电机产生的电磁噪声会对磁性角度传感器产生很大影响，并且位置变化会引起位置漂移。另外，磁性角度传感器的分辨率相对较低。以上两种角度传感器的分辨率由编码盘确定，因此每次需要其他分辨率时都要使用新的编码盘，从而增加了设计和制造过程的时间和成本。

3、角度传感器在使用过程中由于环境因素、外接干扰等原因，可能会出现误差或漂移的情况。这时候就需要进行角度传感器的调零操作，让传感器返回到初始状态以确保传感器的准确性，光学编码器和磁性角度传感器的调零往往是拆下后进行人工操作，不仅耽误时间而且调零的精度得不到保障。此外，某些场景不方便人工调零，例如应用在天线和雷达上的角度传感器。因此，在这种应用场景下急需一种角度可以自动标定、高分辨、低温漂、长寿命、低成本、抗电磁辐射干扰能力较强的角度传感器。

技术实现思路

1、本发明所要解决的问题是：提供一种角度自动标定的角度传感器及其标定测量方法，实现对角度的自动标定，使用寿命长，成本低，受电磁干扰影响小，分辨率较高。

2、本发明采用如下技术方案：一种角度自动标定的角度传感器，包括：发光二极管保护壳，接受pcb(printed circuit board，pcb)板保护壳、发射pcb板、接受pcb板。

3、具体地，所述发光二极管保护壳，包括：传动结构、螺纹套孔、第一螺孔，勃艮第瓶型光传输通道、凸槽；

4、所述接受pcb板保护壳，包括：三个夹角为120°的第二螺孔、接线孔、凹槽；

5、所述发射pcb板，包括：发射板孔洞、发光二极管及发射板电路；

6、所述接受pcb板，包括：光电二极管，接受板孔洞，电压变换电路、电流放大电路、单片机系统、角度测量电路。

7、具体地，所述发光二极管保护壳，用于保护发射pcb板，通过传动结构和待测旋转结构的旋转轴、接受pcb板保护壳之间进行传动；

8、所述接受pcb板保护壳，用于固定接受pcb板，通过内部凹槽和发光二极管保护壳中凸槽镶嵌，使发光二极管保护壳和接受pcb板保护壳之间可以灵活转动；

9、所述发光二极管发出光束，通过勃艮第瓶型光传输通道汇聚后照射在光电二极管上使光电二极管产生光电流，所述光电流通过电流放大电路放大后输入到单片机系统的i/o口；

10、所述角度测量电路，包括角度测量专用可调电阻、ad8605芯片和保护电阻；所述ad8605芯片接收所述角度测量专用可调电阻给出的角度相关模拟电压信号，经过保护电阻输入到单片机系统的adc引脚后转换为数字信号；

11、所述单片机系统通过软件编程进行信息处理，完成角度的自动标定。

12、具体地，所述发光二极管保护壳中，传动结构包括四层结构：最下面一层为夹角为120°的支撑体，上面三层为层层递进的圆柱体，最上面一层为传动杆，用于和接受pcb板中的角度测量专用可调电阻嵌合，起到传动的效果，在发光二极管和待测旋转结构的旋转轴、接受pcb板保护壳之间进行传动，从而可以改变电阻值的大小。

13、所述螺纹套孔用于发光二极管保护壳和待测结构旋转轴上的螺纹套管之间的固定，形状为挖去圆柱体的凹槽，孔径和螺纹套管的外径一致且二者丝扣类型相同、螺距相等、旋向一致。

14、所述第一螺孔有四个，用于将发射pcb板固定在发光二极管保护壳上。

15、所述勃艮第瓶型光传输通道，用于汇聚光束使更多的光能照射到单个光电二极管上，外表面有遮光涂层防止光发散以提高分辨率，瓶口为圆形，半径和光电二极管外接圆半径相同，且瓶口中心对准光电二极管；所述凸槽用于和接受pcb板保护壳的凹槽镶嵌，起到两个保护壳之间固定的灵活转动的作用。

16、具体地，所述接受pcb板保护壳中，第二螺孔用于将接受pcb板固定在接受pcb板保护壳上；所述接线孔，用于pcb板上各电路外接线缆。

17、具体地，所述发射pcb板中，发射板孔洞有四个，之间夹角为90°；发光二极管用于发出光束，通过勃艮第瓶型光传输通道汇聚后照射在光电二极管上使光电二极管产生光电流。

18、具体地，所述接受pcb板中，18个光电二极管分布在圆形接受pcb板的边缘处，彼此间距相等，夹角为20°；在被光照射后产生光电流通过电流放大电路后输入到单片机系统的输入/输出(input/output,i/o)口。

19、所述接受板孔洞3个，均匀分布在圆形接受pcb板的边缘处，夹角为120°，用于螺丝和接受pcb板保护盒上的螺孔之间的固定。

20、所述电压变换电路用于将5v直流电压变换成3.3v直流电压供各电路和单片机系统使用；所述电流放大电路用于放大光电二极管产生的光电流。

21、所述单片机系统用于整体信息的处理，通过软件编程实现对光电二极管光电流大小的分析，实际角度值和对应电阻值的换算，角度关于电阻值的三次多项式函数的拟合，三次多项式函数系数的求解。

22、所述角度测量电路用于将输入到单片机系统adc引脚的关于电阻值对应模拟电压信号换算成数字信号。

23、具体地，所述角度测量电路包括退耦电感、退耦电容，角度测量专用可调电阻、ad8605芯片、保护电阻。

24、所述退耦电感和退耦电容，用于平滑电路中的直流电压并过滤掉电源中的低频和高频噪声，减轻电磁辐射干扰从而提高电磁兼容性。

25、所述角度测量专用可调电阻和传动杆嵌合，和ad8605的in+引脚电连，当传动杆转动时其电阻值也会相应改变；所述ad8605芯片是运算放大器芯片，用于将角度测量专用可调电阻给出的角度相关模拟电压值放大后经两个保护电阻输入到单片机系统的adc引脚。

26、所述保护电阻对整个角度测量电路起到过流保护的作用，放止电路电流过大烧坏芯片和角度测量专用可调电阻。

27、本发明技术方案还提供了一种角度传感器的自动标定测量方法，包括以下步骤：

28、s1、安装固定发光二极管保护壳、接受pcb板保护壳、发射pcb板和接受pcb板；

29、s2、通过外接电缆连接5v直流电压，经过电压变换电路输出3.3v直流电压供发射pcb板和接受pcb板电路使用；

30、s3、发光二极管发出光束，通过勃艮第瓶型光传输通道汇聚后照射在光电二极管上，使所有光电二极管产生光电流通过电流放大电路后与单片机系统的i/o口连接；

31、s4、保持接受pcb板保护壳固定不动，通过待测旋转结构的旋转轴带动发光二极管保护壳转动；

32、s5、单片机系统将光电二极管的光电流转换为电压，当某个i/o口的电压最大且此时角度测量可调电阻的阻值最小时，设置此时角度为0°，用于增加角度测量范围；

33、s6、继续转动发光二极管保护壳，在单片机系统中通过软件编程拟合角度关于电阻值的三次多项式；其中每隔20°，设置一个数据点，将角度和电阻值对应，每60°内有四个数据点；

34、s7、在单片机系统中，使用最小二乘法求解出0°～60°、60°～120°、120°～180°、180°～240°、240°～300°、300°～360°六个分段区间的多项式系数，得到六个分段区间角度关于电阻值的多项式函数；

35、s8、直至所有光电二极管光电流都达到过最大值，在不同分段区间内，根据三次多项式函数，由当前测出的角度测量专用可调电阻的电阻大小能得到一个角度值与之对应，完成一次角度的标定。

36、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

37、1、本发明基于光电对管的原理，结合可调电阻和单片机使角度传感器在具有较高分辨率的同时能够实现角度的自动标定，解决了现有角度传感器在某些应用场景下由于环境因素、外接干扰等原因，可能会出现误差或漂移但不便于人工调零的问题；

38、2、本发明利用了单片机可编程的功能，可编程性强，可以通过编程调整分辨率，节省设计和制造过程中的时间和成本；

39、3、本发明未使用编码盘且通过特殊的电路设计，相比光学编码器和磁性角度传感器使用寿命更长，成本更低，受电磁干扰影响小。