CN103760377A - 一种轮式机器人行走电机转速的测定方法以及测量装置 - Google Patents

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Abstract

一种轮式机器人行走电机转速的测定方法以及测量装置，主要为了解决轮式机器人采用光电码盘进行转速测量易磨损且测量精度不高的问题。其特征在于：在轮式机器人的行走轮外粘贴倾角为Φ的反光薄片，测量装置包括可产生稳定波长的激光二极管、反光薄片、准直透镜和可使光回馈水平处于中等回馈水平的衰减片，激光二极管发出的激光经过透镜和衰减片按照激光二极管发出的出射光平行于电机转动轴的方向打到反光薄片的表面边缘处,发生激光自混合现象；反光薄片每移动激光半个波长的距离，光电二极管输出的电流信号产生一个条纹的变化,从而获得轮式机器人行走电机转速。本发明需要的装置结构简单、测量精度高、价格低廉，可以用于替代光电码盘。

Description

一种轮式机器人行走电机转速的测定方法以及测量装置
技术领域
本发明涉及一种应用于轮式机器人控制技术领域中实现对机器人行走电机转速的测定方法以及装置。 
背景技术
随着现代机器人技术的飞速发展，在各行各业中各式各样的机器人得到了广泛的应用。在众多机器人种类中，以轮式驱动的机器人最为常用。四轮驱动机器人技术中，机器人测位移、测速、定位等技术在机器人技术中占据越来越重要的地位。在这个领域中现有的对电机转速测量方法是采用光电码盘数字编码器技术。光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电码盘数字编码器技术在移动物体轮测速上的应用比较广泛，但随着其在各种环境下的应用，光电码盘技术的缺陷逐渐显现出来。缺点之一： 机械结构复杂、寿命短。由于光电码盘数字编码器技术要求码盘须装载到与车轮同轴的位置上，且数字编码器须被码盘穿过。随着车轮的转动码盘亦随之转动，随着码盘随电机转动的长时间运行，由于系统的机械磨损会导致码盘使用寿命缩短；缺点之二：精度不足。光电编码器是由码盘和光电检测装置组成，码盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。在这种测速方法中，测速的分辨率取决于码盘刻线的个数。有对光栅盘镂刻技术很难达到高精度的分辨率，比如1000线的光栅盘所能够达到的精度仅为0.628mm。综上所述，由于传统光电码盘数字编码器技术其机械结构复杂、寿命短，且其精度仅能够满足常用精度不高的应用环境。 
发明内容
为了解决轮式机器人行走现有电机转速的测量技术中采用光电码盘存在的安装技术条件不易满足、易磨损且测量精度不适合某些情况下精度要求较高的场所等问题提出了一种新的轮式机器人行走电机转速的测定方法以及测量装置。 
本发明的技术方案是：该种机器人行走电机转速的测定方法，由如下步骤组成：
（1）在轮式机器人的行走轮外粘贴一个反光薄片，所述反光薄片的外表面与行走轮之间形成倾斜角，角度为 
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE002
()；其中由于现场工艺限制，需粘贴后测量
Figure DEST_PATH_923489DEST_PATH_IMAGE002
实际大小。
（2）在轮式机器人的行走轮外，搭建一套测量装置，所述测量装置包括可产生稳定波长的激光二极管、反光薄片、准直透镜和可使光回馈水平处于中等回馈水平的衰减片，激光二极管LD发出的激光经过透镜和衰减片按照激光二极管PD发出的出射光平行于电机转动轴的方向打到步骤（1）中所述的带有倾斜角Φ的反光薄片的倾斜面表面边缘处；
（3）调整步骤（2）中的激光二极管的驱动电流，并且调整反光角度使反射光进入激光腔内部，使其处于激光二极管驱动阈值电流的1～1.1倍区间,以确保激光自混合现象发生； 
（4）当发生激光自混合现象后，反光薄片平行电机转轴方向每移动激光半个波长的距离，反射光散射到激光器腔内就会引起功率的变化，从而测量装置中的光电二极管PD输出的电流信号就会产生一个条纹的变化；根据条纹个数可以判断车轮转动过的位移
（5）调整光反馈水平，使光反馈水平处于中等反馈水平下，将步骤（4）中光电二极管LD输出的信号经过信号放大电路放大形成类锯齿波信号；电机转轴转动方向与所获得锯齿波倾斜方向一致。
（6）步骤（5）中的类锯齿波信号经微分信号处理电路处理后送给单片机进行数据处理，按照以下方式计算，即可获得轮式机器人行走轮车轮走过的弧长:
因为一个自混合干涉条纹代表半个波长的位移,系统中采用的激光器波长为650nm,所以半波波长即325nm,所以
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE006
车轮（电机）转过的圈数可以表示为：
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE008
  
,为车轮转动一周倾斜斜面转动引起的平行于电机转轴的位移；
式中Q为旋转车轮转动圈数； c为自混合干涉条纹个数；D反光薄片平行于电机转轴方向的位移，R为车轮半径，
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE012
为车轮薄片倾角 (
Figure DEST_PATH_588432DEST_PATH_IMAGE004
)；
（7）将步骤（6）中获得的车轮走过的弧长乘以车轮转过的圈数即可测量出行走电机的转速。
用于实施上述方法的测量装置，由激光二极管、光电二极管、激光器的驱动电路、温控电路、信号放大电路、信号处理电路、单片机采集信号电路、准直透镜、衰减片以及带有一定轻微倾角的反光车轮组成。 
其中，激光二极管用于产生波长稳定的激光，激光二极管发出的激光经过准直透镜和衰减片打到带有一定轻微倾角的反光车轮上，激光二极管发出的激光经过准直透镜打到衰减片上，衰减片用于对激光进行衰减，使其光回馈水平处于中等回馈水平可以使得自混合干涉现象发生；所述带有轻微倾角的反光车轮为粘贴在车轮上的反光薄片；驱动电路包括按照电路连接原理连接的稳压电路与驱动芯片电路，稳压电路电压可调，为驱动芯片电路提供恒定电流，驱动芯片电路为激光二极管提供恒定的工作电压与电流；信号放大电路采用运算放大器对光电二极管输出的电流进行放大，使得输出的电流信号可以用于信号处理电路进行处理；信号处理电路用于处理信号放大电路输出的电流信号，处理后得到的方波脉冲可以用于单片机信号采集电路；单片机信号采集电路用于对信号处理电路输出的方波脉冲信号进行采集和处理；温控电路包括按照电路连接原理连接的温度传感器、单片机系统以及单片机系统控制的半导体制冷片；温度传感器将测得的实时温度发送给单片机系统，单片机系统进行比较计算，控制单片机系统控制的半导体制冷片从而保证温度的恒定。
本发明具有如下有益效果：本发明利用自混合干涉理论的激光器测位移代替了传统的光电码盘技术测车轮转速，不但不会发生机械磨损，而且装置简单、方便，使用性价比高、且针对某些特定对精度要求较高的场合其相对于传统激光码盘技术的优势更加明显，其测量精度可以达到激光发出波长的半个波长的距离。本技术的优点在于较传统光电码盘数字编码器技术精度上有了较大提高，且装置结构简单、设备价格低廉、精度高，可以用于替代传统光电码盘实现对轮式机器人车轮转速的测定。
附图说明：
图1是本发明的整体结构框图；
图2是本发明所述激光二极管驱动电路内部框图；
图3是本发明所述温控电路内部框图；
图4是本发明所述单片机内部系统框图；
图5是本发明所述单片机在内部程序控制下执行测量操作的流程图；
图6 是本发明所述驱动电路原理图；
图7 是本发明所述驱动的稳压电路图；
图8 是本发明所述驱动的电路图；
图9 是本发明所述温控电路的原理图；
图10是本发明所述信号放大电路的原理图；
图11是本发明所述信号处理电路的原理图；
图12 是本发明所述单片机的信号采集原理图；
图 13是本发明所述固定有反光车轮的转动轮的结构示意图；
图 14 是车轮倾角测量示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明：
本种机器人行走电机转速的测定方法，由如下步骤组成：
（1）在机器人的行走轮外粘贴一个反光薄片，所述反光薄片的外表面与行走轮之间形成倾斜角，角度为Φ(
Figure DEST_PATH_368169DEST_PATH_IMAGE004
)；其中由于现场工艺限制，需粘贴后测量
Figure DEST_PATH_825695DEST_PATH_IMAGE002
实际大小。
（2）在机器人的行走轮外，设置一套测量装置，所述测量装置包括可产生稳定波长的激光二极管、反光薄片、准直透镜和可使光回馈水平处于中等回馈水平的衰减片，激光二极管发出的激光经过透镜和衰减片按照激光二极管发出的出射光平行于电机转动轴的方向打到步骤（1）中所述的带有倾斜角Φ的反光薄片的倾斜面表面边缘处； 
（3）调整步骤（2）中的激光二极管的驱动电流，并且调整反光角度使反射光进入激光腔内部，使其处于激光二极管驱动阈值电流的1～1.1倍区间,以确保激光自混合现象发生； 
（4）当发生激光自混合现象后，反光薄片平行电机转轴方向每移动激光半个波长的距离，反射光散射到激光器腔内就会引起功率的变化，从而测量装置中的光电二极管PD输出的电流信号就会产生一个条纹的变化；根据条纹个数可以判断车轮转动过的位移。
（5）调整光反馈水平，使光反馈水平处于中等反馈水平下，将步骤（4）中光电二极管输出的信号经过信号放大电路放大形成类锯齿波信号；电机转轴转动方向与所获得锯齿波倾斜方向一致。
（6）步骤（5）中的类锯齿波信号经微分信号处理电路处理后送给单片机进行数据处理，按照以下方式计算，即可获得机器人行走轮车轮走过的弧长:
因为一个自混合干涉条纹代表半个波长的位移,系统中采用的激光器波长为650nm,所以半波波长即325nm,所以
Figure DEST_PATH_702384DEST_PATH_IMAGE006
车轮（电机）转过的圈数可以表示为：
Figure DEST_PATH_88629DEST_PATH_IMAGE008
  
Figure DEST_PATH_355662DEST_PATH_IMAGE010
,为车轮转动一周倾斜斜面转动引起的平行于电机转轴的位移；
式中Q为旋转车轮转动圈数； c为自混合干涉条纹个数；D反光薄片平行于电机转轴方向的位移，R为车轮半径，
Figure DEST_PATH_616879DEST_PATH_IMAGE012
为车轮倾角(
Figure DEST_PATH_348075DEST_PATH_IMAGE004
)；
（7）将步骤（6）中获得的车轮走过的弧长乘以车轮转过的圈数即可测量出行走电机的转速。
为了实施本发明所述方法的测量装置，如图1所示，由激光二极管1-1、光电二极管1-2、激光器的驱动电路2、温控电路3、信号放大电路4、信号处理电路5、单片机采集信号电路6、准直透镜7、衰减片8以及带有倾角为
Figure DEST_PATH_403755DEST_PATH_IMAGE002
的反光车轮9组成。
图2是本发明所述激光二极管驱动电路内部框图，激光二极管1-1用于产生波长稳定的激光。图 14 是车轮倾角测量示意图，如图所示，激光二极管发出的激光经过准直透镜7和衰减片8打到倾角为
Figure DEST_PATH_718937DEST_PATH_IMAGE002
的反光车轮9上，激光二极管发出的激光经过准直透镜7打到衰减片8上，衰减片8用于对激光进行衰减，使其光回馈水平处于中等回馈水平可以使得自混合干涉现象发生；所述倾角为
Figure DEST_PATH_455949DEST_PATH_IMAGE002
的反光车轮9为粘贴在车轮上的反光薄片。如图6、图7和图8所示，驱动电路2包括按照电路原理图连接的稳压电路2-1与驱动芯片电路2-2，稳压电路2-1电压可调，为驱动芯片电路提供恒定电流，驱动芯片电路2-2为激光二极管提供恒定的工作电压与电流。 
如图10 所示，信号放大电路4采用运算放大器对光电二极管1-2输出的电流进行放大，使得输出的电流信号可以用于信号处理电路5中进行处理；如图11所示，信号处理电路5用于处理信号放大电路4输出的电流信号，处理后得到的方波脉冲可以用于单片机信号采集电路6。单片机信号采集电路6的原理如图12所示，用于对信号处理电路5输出的方波脉冲信号进行采集和处理。
温控电路3包括按照电路连接原理连接的温度传感器3-1、单片机系统3-2以及单片机系统控制的半导体制冷片3-3。 如图3结合图9所示，温度传感器3-1将测得的实时温度发送给单片机系统3-2，单片机系统3-2进行比较计算，同时，控制单片机系统控制的半导体制冷片3-3从而保证温度的恒定。
具体实施时，准直透镜可以选用型号：NT83-922(Edmund)的准直透镜，衰减片选用型号：NT85-267(Edmund)的准直透镜，激光二极管、光电二极管封装在一个模块中，采用已有产品激光器，型号为QL65D5SA，输出为可见光，25℃时输出波长为650nm，输出功率为5mW，额定电压为2.2V，采用封装为TO-18，由于自混合现象主要发生在激光器驱动电流在阈值附近时，所以使激光二极管的驱动电流处于激光二极管驱动阈值电流的1～1.1倍区间是个需要保证的满足条件。
带有倾角为
Figure DEST_PATH_41651DEST_PATH_IMAGE002
（
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE014
）的反光车轮为外部反光物体，在图中为测机器人位移给车轮贴上了反光贴（车轮材质为铝合金，直径为10mm，固定方式为黏贴），但实际应用时，仍采用反光薄片。如图13转动车轮设计示意图所示，反光车轮和车轴有轻微的倾角，倾角的测量如图14所示，以能产生最优的自混合现象来确定，当反光车轮旋转时，反光车轮就会产生平行于电机转轴方向的位移，从而形成自混合效应用来测量转动过的位移如图13。
反光车轮表面会产生轴向位移，因为车轮带有一定倾角，所以转动时表面斜面会高度会交替变化，因此导致轴向位移），从而形成自混合效应用来测量转动的位移如图13。
单片机信号采集电路6对信号进行采集时，方波由P0八路I/O口中任何一路进行采集，采集到信号后进行存储和计数处理；单片机信号采集电路6用于对信号处理电路5输出的方波脉冲信号进行采集和处理。
如图5所示，是本发明所述单片机在内部程序控制下执行测量操作的流程图。
步骤一：驱动电路为激光二极管提供稳定的电压和电流确保激光二极管工作在额定功率下，从而使得激光器发出的激光波长稳定以利于微位移的测量。
步骤二：温控电路测得激光器工作温度，并通过单片机的处理分析从而控制半导体制冷片进行降温处理，从而保证激光器始终工作在预设的温度下。因为激光器工作温度不稳定会导致激光波长产生变化，从而导致测量精度不准确。
步骤三：在步骤一和步骤二之后，激光器发出激光经过准直透镜和衰减器后，回馈光处于中等回馈水平。
步骤四：此时带有一定轻微倾角的反光车轮每移动激光半个波长的距离，反射光散射到激光器腔内引起功率的变化，从而光电二极管输出电流信号产生一个条纹的变化。
步骤五：由于光电二极管输出的信号比较微弱，不能直接用于采集，故需经过放大处理。所以光电二极管输出信号经过信号放大电路放大。
步骤六：经信号放大电路放大后的信号为类锯齿波信号不能直接用于采集，需处理成方波脉冲的形式才能被单片机采集处理，所以类锯齿波信号需经微分信号处理电路处理。
本实施方式中，驱动电路给激光二极管提供额定电流电压，激光二极管发出稳定波长的激光。激光透过准直透镜和衰减片衰减后打到带有一定轻微倾角的反光车轮上。带有一定轻微倾角的反光车轮反射光散射到激光器的谐振腔内引起激光器功率的变化。光电二极管把反射光转化为电流信号，信号流经信号放大电路放大后经信号处理电路处理后可被单片机信号采集电路采集计算。

Claims (2)

1.一种轮式机器人行走电机转速的测定方法，该方法由如下步骤组成：
（1）在轮式机器人的行走轮外粘贴一个反光薄片，所述反光薄片的外表面与行走轮之间形成倾斜角，角度为Φ( 
Figure 2014100122545100001DEST_PATH_IMAGE002
)；
（2）在轮式机器人的行走轮外，搭建一套测量装置，所述测量装置包括可产生稳定波长的激光二极管、反光薄片、准直透镜和可使光回馈水平处于中等回馈水平的衰减片，激光二极管LD发出的激光经过透镜和衰减片按照激光二极管发出的出射光平行于电机转动轴的方向打到步骤（1）中所述的带有倾斜角Φ的反光薄片的倾斜面表面边缘处； 
（3）调整步骤（2）中的激光二极管的驱动电流，并且调整反光角度使反射光进入激光腔内部，使其处于激光二极管驱动阈值电流的1～1.1倍区间,以确保激光自混合现象发生； 
（4）当发生激光自混合现象后，反光薄片平行电机转轴方向每移动激光半个波长的距离，反射光散射到激光器腔内就会引起功率的变化，从而测量装置中的光电二极管PD输出的电流信号就会产生一个条纹的变化；根据条纹个数可以判断车轮转动过的位移;
（5）调整光反馈水平，使光反馈水平处于中等反馈水平下，将步骤（4）中光电二极管输出的信号经过信号放大电路放大形成类锯齿波信号,电机转轴转动方向与所获得锯齿波倾斜方向一致;
（6）步骤（5）中的类锯齿波信号经微分信号处理电路处理后送给单片机进行数据处理，按照以下方式计算，即可获得轮式机器人行走轮车轮走过的弧长:
因为一个自混合干涉条纹代表半个波长的位移,系统中采用的激光器波长为650nm,所以半波波长即325nm,所以
Figure 2014100122545100001DEST_PATH_IMAGE004
车轮（电机）转过的圈数可以表示为：
  
Figure 2014100122545100001DEST_PATH_IMAGE008
,为车轮转动一周倾斜斜面转动引起的平行于电机转轴的位移； 
式中Q为旋转车轮转动圈数； c为自混合干涉条纹个数；D反光薄片平行于电机转轴方向的位移，R为车轮半径，
Figure 2014100122545100001DEST_PATH_IMAGE010
为车轮斜面倾角(
Figure 925106DEST_PATH_IMAGE002
);
（7）将步骤（6）中获得的车轮走过的弧长乘以车轮转过的圈数即可测量出行走电机的转速。
2.一种用于实施权利要求1所述方法的测量装置，由激光二极管LD（1-1）、光电二极管PD（1-2）、激光器的驱动电路（2）、温控电路（3）、信号放大电路（4）、信号处理电路（5）、单片机采集信号电路（6）、透镜（7）、衰减片（8）以及带有一定轻微倾角的反光车轮（9）组成；
其中，激光二极管（1-1）用于产生波长稳定的激光，激光二极管（1-1）发出的激光经过透镜（7）和衰减片（8）打到带有一定轻微倾角的反光车轮（9）上，激光二极管（1-1）发出的激光经过透镜（7）打到衰减片（8）上，衰减片（8）用于对激光进行衰减，使其光回馈水平处于中等回馈水平可以使得自混合干涉现象发生；所述带有轻微倾角的反光车轮（9）为粘贴在车轮上的反光薄片；
驱动电路（2）包括按照电路原理图连接的稳压电路（2-1）与驱动芯片电路（2-2），稳压电路（2-1）电压可调，为驱动芯片电路提供恒定电压，驱动芯片电路（2-2）为激光二极管提供恒定的工作电压与电流；
信号放大电路（4）采用运算放大器对光电二极管（1-2）输出的电流进行放大，使得输出的电流信号可以用于信号处理电路（5）进行处理；信号处理电路（5）用于处理信号放大电路（4）输出的电流信号，处理后得到的方波脉冲可以用于单片机信号采集电路（6）；单片机信号采集电路（6）用于对信号处理电路（5）输出的方波脉冲信号进行采集和处理；
温控电路（3）包括按照电路原理图连接的温度传感器（3-1）、单片机系统（3-2）以及单片机系统控制的半导体制冷片（3-3）；温度传感器（3-1）将测得的实时温度发送给单片机系统（3-2），单片机系统（3-2）进行比较计算，控制单片机系统控制的半导体制冷片（3-3）从而保证温度的恒定用来抑制激光二极管输出波长随温度的变化，以提高精度。
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