CN107238354A - 一种基于psd位置传感器的角度测量设备及其测量方法 - Google Patents

一种基于psd位置传感器的角度测量设备及其测量方法 Download PDF

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于子涵
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Abstract

本发明公开了一种基于PSD位置传感器的角度测量设备及其测量方法，包括：PSD位置传感器，带动PSD位置传感器移动的导轨，接收PSD位置传感器的信息并使测量距离与转换输出电压保持线性关系的非线性补偿电路，连接于非线性补偿电路的AD转换器，连接于上述AD转换器的单片机，连接于单片机的人机交互组件，连接于单片机与导轨之间的步进电机。本发明使用PSD位置敏感探测器并利用激光三角法设计了一种新的角度测量系统对物体表面夹角进行测量；不仅测量方便，且测量数值精确。

Description

一种基于PSD位置传感器的角度测量设备及其测量方法
技术领域
本发明属于电子测量技术领域，特别涉及物体表面夹角的电子测量技术领域。
背景技术
在工程测量领域，几何量的测量占有十分重要的地位，尤其是对各种零件的形状、尺寸的测量。只有通过精确的测量过程，在现代工业企业生产中才能制造出精密的零件，保证生产符合要求，实现零件生产的可靠性。角度测量作为科学测量的一个重要组成部分，尤其是小角度的测量在仪器精密加工、航空航天、军事发展和通讯设备等众多领域具有重要作用及意义。因此，设计一种测量精度高、应用范围广的自动角度测量系统具有重要的实际意义和参考价值。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于PSD位置传感器的角度测量设备及其测量方法，本发明使用PSD位置敏感探测器并利用激光三角法设计了一种新的角度测量系统对物体表面夹角进行测量；不仅测量方便，且测量数值精确。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种基于PSD位置传感器的角度测量设备，包括：PSD位置传感器，承载PSD位置传感器移动的导轨，接收PSD位置传感器的信息并使测量距离与转换输出电压保持线性关系的非线性补偿电路，连接于非线性补偿电路的AD转换器，连接于上述AD转换器的单片机，连接于单片机的人机交互组件，连接于单片机与导轨之间的步进电机。
前述的一种基于PSD位置传感器的角度测量设备，非线性补偿电路组成有：将电流I1和I2转换为电压V1和V2的放大器OP1和OP2，实现加法运算的OP3，实现除法运算的OP4和乘法器M。
前述的一种基于PSD位置传感器的角度测量设备，AD转换器为16位A/D转换芯片ADS7805。
前述的一种基于PSD位置传感器的角度测量设备，单片机为16位MSP430F169单片机
前述的一种基于PSD位置传感器的角度测量设备，人机交互组件组成有：向单片机输入控制信息的矩阵键盘，接收单片机信息的显示屏。
前述的一种基于PSD位置传感器的角度测量设备，步进电机选用混合式35BYG205型步进电机。
前述的一种基于PSD位置传感器的角度测量方法，
步骤一，单片机主控芯片与各模块完成初始化，扫描矩阵键盘，通过矩阵键盘选定计算模型、设定步进电机的旋转方向、旋转角度、旋转速度以及调用测距模块测量数值次数；
步骤二，设定初始参数后，驱动步进电机通过导轨带动PSD位置传感器移动，当步进电机旋转角度达到设定值后，暂停步进电机，启动PSD位置传感器。PSD位置传感器采集的数据传输给AD转换器得到与被测物体的距离，并将测量数据存储于一个长度固定的数组中，完成一次测量；
步骤三：再次启动步进电机进行第二次测量，直到测量数据个数达到设定值，步进电机停止，完成测量；
步骤四：单片机对采集到的数据组利用最小二乘法进行处理，计算出数据拟合斜率，进而得出最后的角度值，通过显示器显示计算结果。
前述的一种基于PSD位置传感器的角度测量方法，
步骤一，单片机主控芯片与各模块完成初始化，扫描矩阵键盘，通过矩阵键盘选定计算模型、设定步进电机的旋转方向、旋转角度、旋转速度以及调用测距模块测量数值次数；计算模型包括：被测物体与PSD位置传感器的角度大于90°小于180°时的计算模型，被测物体与PSD位置传感器的角度小于90°时的计算模型；
被测物体与PSD位置传感器的角度大于90°小于180°时的计算模型具体包括：建立二维坐标系，在坐标系中将两条直线比作被测角度的两个面，被测物体角度即为两条线的夹角θ，设两条直线与X轴的夹角分别为α与β，直线斜率分别为k1，k2，x1，x2…xn为对应点在X轴上的坐标；将被测物体角度测量先转换为与X轴的夹角测量，即角度α与β的测量；对于角度α与β的测量，通过在X轴上任取一点，测量该点到被测面的距离y和已知X轴上坐标x，可以简单直接地利用比值计算出该角度的正切值，从而得到角度值；为进一步得到更为准确的角度值α与β，不直接计算角度正切值，而是将被测物体角度测量转化为被测面相对于基准面的斜率进行测量；
被测物体与PSD位置传感器的角度小于90°时的计算模型具体包括：建立二维坐标系，直线k1与X轴的夹角为α，直线k2与Y轴的夹角为β，被测物体夹角为θ；对于夹角α的测量，将被测物体角度测量先转换为与X轴的夹角即为夹角α的角度；对于夹角β的测量，沿Y轴正方向，任取一点，通过测量被测面与Y轴的距离y，同时将该Y轴看作为一般二维坐标系中的X轴，通过拟合得出已知直线的斜率，从而计算出夹角β的角度；对于第一象限的测量面斜率k1，沿X轴方向每隔一固定步长测量出与被测面的距离，得到如下的x-y数值表；
测量得到的x-y数值表
根据测量得到的x-y数值表，描绘出二维坐标系中最小二乘法散点及拟合曲线，根据最小二乘原理利用MATLAB拟合出直线方程为：
y＝0.556·x-0.009 (1)
根据最小二乘法数据拟合原理，测量距离y值可表示为：
yt＝b+kxt+εt，t＝1,2,L,N (2)
式中，xt表示X轴坐标，yt表示对应xt的Y轴坐标，k表示直线斜率，b表示截距，ε1,ε2,L,εN分别表示其他随机因素对距离值y1,y2,L,yN影响的总和。
设得到的直线方程为：
残差方程为
根据平方损失函数以及测量值的计算公式为：
对模型一中二维坐标系，根据最小二乘法对测量出的Y轴方向上的距离值进行处理，可计算出两条直线的斜率，根据斜率计算出与x轴的夹角α与β，进而计算得出被测角度，角度计算表示为：
同理对模型二中数学计算模型，角度计算为：
本发明的有益之处在于：本发明提供一种基于PSD位置传感器的角度测量设备，本发明使用PSD位置敏感探测器并利用激光三角法设计了一种新的角度测量系统对物体表面夹角进行测量；本发明使用MSP430F169为主控芯片，通过步进电机导轨系统带动测距模块移动不同距离，分别由PSD位置传感器测量被测面对应的距离。为了使角度测量的精度优于现有的基于激光三角法测量技术的测量精度，本发明针对锐角和钝角不同情况，分别建立了两种不同的数学计算模型，得出在二维坐标系中被测面上若干点的坐标，利用最小二乘法拟合计算出直线方程，利用所建立的数学计算模型求出物体表面夹角大小；不仅测量方便，且测量数值比目前已有技术更加精确。
附图说明
图1是本发明的一种实施例的结构示意图；
图2是本发明被测物体与PSD位置传感器的角度角度大于90°小于180°时的计算模型的二维坐标图；
图3是本发明被测物体与PSD位置传感器的角度小于90°时的计算模型的二维坐标图；
图4是本发明最小二乘法拟合线图；
图5是本发明的单片机最小系统电路；
图6是本发明的一维PSD等效电路；
图7是本发明的非线性补偿电路；
图8是本发明的ADS7805电路图；
图9是本发明的步进电机控制电路
图10是本发明的矩阵键盘电路；
图11是本发明的运行流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
一种基于PSD位置传感器的角度测量设备，包括：PSD位置传感器，承载PSD位置传感器移动的导轨，接收PSD位置传感器的信息并使测量距离与转换输出电压保持线性关系的非线性补偿电路，连接于非线性补偿电路的AD转换器，连接于上述AD转换器的单片机，连接于单片机的人机交互组件，连接于单片机与导轨之间的步进电机。为了保证测量精度，测量钝角时，导轨分别紧贴图2所示的X轴正方向放置和紧贴X轴负方向放置，由步进电机带动PSD位置传感器移动测距；而测量锐角时，导轨分别紧贴图3所示的X轴正方向放置和紧贴Y轴正方向放置，由步进电机带动PSD位置传感器移动测距。人机交互组件组成有：向单片机输入控制信息的矩阵键盘，接收单片机信息的显示屏；作为一种优选，显示屏为LCD12864显示屏。
硬件设计：
单片机为美国德州仪器生产的16位MSP430F169单片机。MSP430F169单片机以系统低功耗运行为设计核心，采用“冯诺依曼”设计结构，将系统内RAM、ROM以及外围功能模块全部存储在一个地址空间内。该单片机的最大寻址地址为62KB，由五种低功耗模式组成其基本结构，芯片体积小，方便使用。主要由6个端口即48个I/O口，2个串行通信接口以及片内看门狗定时器组成，端口数量的增多大大方便了外围功能模块的接入，为编程使用过程提供方便。单片机最小系统电路如图5所示。
激光测距电路
激光测距电路包括一维PSD位置传感器电路、非线性补偿电路和AD转换电路，具体如下：
一维PSD等效电路如图6所示，图中，R0表示PSD感光层等效结电阻，C表示结电容，D为理想二极管；R1、R2表示PSD的负载电阻，一般情况下两值相等；R3、R4表示入射光斑的重心距离两电极之间的等效分配电阻；I0为光生电流大小，I1、I2分别为电极1与电极2的输出电流大小。
为了使测量的距离与转换输出的电压保持线性关系，需设计一个非线性补偿电路如图7所示。非线性补偿电路包含I/V转换电路、信号放大电路以及低通滤波电路。图7中，电流I1和I2经过放大器OP1和OP2实现电流/电压转换，将微弱的电流信号转换为一定大小的电压信号，便于后续运算电路的实现。设I1和I2分别对应电压V1和V2。OP3实现加法运算，OP4和乘法器M实现除法运算，这样就实现了输出电压Vo与测量距离的线性对应关系。
AD转换器为16位A/D转换芯片ADS7805。ADS7805是美国BURR-BROWN公司生产的一款采用DIP双列直插式和CMOS工艺制造的一款高速A/D转换器。具有转换速度快、功耗低等优点，可在最大程度上简化电路设计、节省硬件开销，并且16位的数据读取能提高测量精度及系统稳定性。转换结果为16位数据并行输出，具有三态缓冲功能，可以很方便的与16位数据总线连接。ADS7805电路如图8所示，Vi为输入电压信号(即图7补偿电路的输出电压Vo)，单片机P2.1与P2.0控制AD时序，D0～D15分别与单片机P3、P4口连接并进行数据传输。
系统需要通过步进电机带动位置传感器在滑行轨道移动进行测量，位置传感器移动长度根据步进电机的旋转角度确定。步进电机选用混合式35BYG205型步进电机，该步进电机的主要技术参数为：四相六线制步进电机、1.8°步距角、相电阻48欧姆。由于单片机的驱动能力有限，在实际应用中，需要通过ULN2003大电流驱动阵列驱动步进电机。步进电机控制电路如图9所示，单片机P2.4～P2.7分别与ULN2003A的1～4口相连。
矩阵键盘电路如图10所示，在每条水平线与垂直线之间通过按键连接，这样16个按键只需要一个端口即P1口进行控制。矩阵键盘电路主要用来控制电机转动方向和工作模式选择等。
软件设计：系统主程序流程图如图11所示。当系统开始工作时，单片机主控芯片与各模块首先完成初始化，扫描矩阵键盘，通过矩阵键盘选定计算模型、设定步进电机的旋转方向、旋转角度、旋转速度以及调用测距模块测量数值次数。设定初始参数后，驱动步进电机通过直线导轨带动测距模块移动，当步进电机旋转角度(即直线位移)达到设定值后，暂停步进电机，启动测距模块。测距模块通过读取ADS7805采样数据进行转换得到与被测物体的距离，并将测量数据存储于一个长度固定的数组中，完成一次测量。再次启动步进电机进行第二次测量，直到测量数据个数达到设定值，步进电机停止，完成测量。单片机对采集到的数据组利用最小二乘法进行处理，计算出数据拟合斜率，进而得出最后的角度值，通过LCD12864显示计算结果。
步进电机选用混合式35BYG205型步进电机。
一种基于PSD位置传感器的角度测量方法，
步骤一，单片机主控芯片与各模块完成初始化，扫描矩阵键盘，通过矩阵键盘选定计算模型、设定步进电机的旋转方向、旋转角度、旋转速度以及调用测距模块测量数值次数；计算模型包括：被测物体与PSD位置传感器的角度大于90°小于180°时的计算模型，被测物体与PSD位置传感器的角度小于90°时的计算模型；
被测物体与PSD位置传感器的角度大于90°小于180°时的计算模型具体包括：建立二维坐标系如图2所示，在坐标系中将两条直线比作被测角度的两个面，被测物体角度即为两条线的夹角θ，设两条直线与X轴的夹角分别为α与β，直线斜率分别为k1，k2，x1，x2…xn为对应点在X轴上的坐标；将被测物体角度测量先转换为与X轴的夹角测量，即角度α与β的测量；对于角度α与β的测量，通过在X轴上任取一点，测量该点到被测面的距离y和已知X轴上坐标x，可以简单直接地利用比值计算出该角度的正切值，从而得到角度值；为进一步得到更为准确的角度值α与β，不直接计算角度正切值，而是将被测物体角度测量转化为被测面相对于基准面的斜率进行测量；
被测物体与PSD位置传感器的角度小于90°时的计算模型具体包括：建立二维坐标系如图3所示，直线k1与X轴的夹角为α，直线k2与Y轴的夹角为β，被测物体夹角为θ；对于夹角α的测量，将被测物体角度测量先转换为与X轴的夹角即为夹角α的角度；对于夹角β的测量，沿Y轴正方向，任取一点，通过测量被测面与Y轴的距离y，同时将该Y轴看作为一般二维坐标系中的X轴，通过拟合得出已知直线的斜率，从而计算出夹角β的角度；对于第一象限的测量面斜率k1，沿X轴方向每隔一固定步长测量出与被测面的距离，得到如下的x-y数值表；
测量得到的x-y数值表
根据测量得到的x-y数值表，描绘出二维坐标系中最小二乘法散点及拟合曲线，如图4所示，根据最小二乘原理利用MATLAB拟合出直线方程为：
y＝0.556·x-0.009 (1)
根据最小二乘法数据拟合原理，测量距离y值可表示为：
yt＝b+kxt+εt，t＝1,2,L,N (2)
式中，xt表示X轴坐标，yt表示对应xt的Y轴坐标，k表示直线斜率，b表示截距，ε1,ε2,L,εN分别表示其他随机因素对距离值y1,y2,L,yN影响的总和。
设得到的直线方程为：
残差方程为：
根据平方损失函数以及测量值的计算公式为：
对模型一中二维坐标系，根据最小二乘法对测量出的Y轴方向上的距离值进行处理，可计算出两条直线的斜率，根据斜率计算出与x轴的夹角α与β，进而计算得出被测角度，角度计算表示为：
同理对模型二中数学计算模型，角度计算为：
步骤二，设定初始参数后，驱动步进电机通过导轨带动PSD位置传感器移动，当步进电机旋转角度达到设定值后，暂停步进电机，启动PSD位置传感器。PSD位置传感器采集的数据传输给AD转换器得到与被测物体的距离，并将测量数据存储于一个长度固定的数组中，完成一次测量。
步骤三：再次启动步进电机进行第二次测量，直到测量数据个数达到设定值，步进电机停止，完成测量。
步骤四：单片机对采集到的数据组利用最小二乘法进行处理，计算出数据拟合斜率，进而得出最后的角度值，通过显示器显示计算结果。
本发明提供一种基于PSD位置传感器的角度测量设备，本发明使用PSD位置敏感探测器并利用激光三角法设计了一种新的角度测量系统对物体表面夹角进行测量；本发明使用MSP430F169为主控芯片，通过步进电机导轨系统带动测距模块移动不同距离，分别由PSD位置传感器测量被测面对应的距离。为了使角度测量的精度优于现有的基于激光三角法测量技术的测量精度，本发明针对锐角和钝角不同情况，分别建立了两种不同的数学计算模型，得出在二维坐标系中被测面上若干点的坐标，利用最小二乘法拟合计算出直线方程，利用所建立的数学计算模型求出物体表面夹角大小；不仅测量方便，且测量数值比目前已有技术更加精确。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于PSD位置传感器的角度测量设备，其特征在于，包括：PSD位置传感器，承载上述PSD位置传感器移动的导轨，接收上述PSD位置传感器的信息并使测量距离与转换输出电压保持线性关系的非线性补偿电路，连接于上述非线性补偿电路的AD转换器，连接于上述AD转换器的单片机，连接于上述单片机的人机交互组件，连接于上述单片机与导轨之间的步进电机。
2.根据权利要求1所述的一种基于PSD位置传感器的角度测量设备，其特征在于，上述非线性补偿电路组成有：将电流I1和I2转换为电压V1和V2的放大器OP1和OP2，实现加法运算的OP3，实现除法运算的OP4和乘法器M。
3.根据权利要求1所述的一种基于PSD位置传感器的角度测量设备，其特征在于，上述AD转换器为16位A/D转换芯片ADS7805。
4.根据权利要求1所述的一种基于PSD位置传感器的角度测量设备，其特征在于，上述单片机为16位MSP430F169单片机。
5.根据权利要求1所述的一种基于PSD位置传感器的角度测量设备，其特征在于，上述人机交互组件组成有：向单片机输入控制信息的矩阵键盘，接收单片机信息的显示屏。
6.根据权利要求1所述的一种基于PSD位置传感器的角度测量设备，其特征在于，步进电机选用混合式35BYG205型步进电机。
7.根据权利要求1所述的一种基于PSD位置传感器的角度测量方法，其特征在于，
步骤一，单片机主控芯片与各模块完成初始化，扫描矩阵键盘，通过矩阵键盘选定计算模型、设定步进电机的旋转方向、旋转角度、旋转速度以及调用测距模块测量数值次数；
步骤二，设定初始参数后，驱动步进电机通过导轨带动PSD位置传感器移动，当步进电机旋转角度达到设定值后，暂停步进电机，启动PSD位置传感器。PSD位置传感器采集的数据传输给AD转换器得到与被测物体的距离，并将测量数据存储于一个长度固定的数组中，完成一次测量；
步骤三：再次启动步进电机进行第二次测量，直到测量数据个数达到设定值，步进电机停止，完成测量；
步骤四：单片机对采集到的数据组利用最小二乘法进行处理，计算出数据拟合斜率，进而得出最后的角度值，通过显示器显示计算结果。
8.根据权利要求1所述的一种基于PSD位置传感器的角度测量方法，其特征在于，
步骤一，单片机主控芯片与各模块完成初始化，扫描矩阵键盘，通过矩阵键盘选定计算模型、设定步进电机的旋转方向、旋转角度、旋转速度以及调用测距模块测量数值次数；计算模型包括：被测物体与PSD位置传感器的角度大于90°小于180°时的计算模型，被测物体与PSD位置传感器的角度小于90°时的计算模型；
被测物体与PSD位置传感器的角度大于90°小于180°时的计算模型具体包括：建立二维坐标系，在坐标系中将两条直线比作被测角度的两个面，被测物体角度即为两条线的夹角θ，设两条直线与X轴的夹角分别为α与β，直线斜率分别为k1，k2，x1，x2…xn为对应点在X轴上的坐标；将被测物体角度测量先转换为与X轴的夹角测量，即角度α与β的测量；对于角度α与β的测量，通过在X轴上任取一点，测量该点到被测面的距离y和已知X轴上坐标x，可以简单直接地利用比值计算出该角度的正切值，从而得到角度值；为进一步得到更为准确的角度值α与β，不直接计算角度正切值，而是将被测物体角度测量转化为被测面相对于基准面的斜率进行测量；
被测物体与PSD位置传感器的角度小于90°时的计算模型具体包括：建立二维坐标系，直线k1与X轴的夹角为α，直线k2与Y轴的夹角为β，被测物体夹角为θ；对于夹角α的测量，将被测物体角度测量先转换为与X轴的夹角即为夹角α的角度；对于夹角β的测量，沿Y轴正方向，任取一点，通过测量被测面与Y轴的距离y，同时将该Y轴看作为一般二维坐标系中的X轴，通过拟合得出已知直线的斜率，从而计算出夹角β的角度；对于第一象限的测量面斜率k1，沿X轴方向每隔一固定步长测量出与被测面的距离，得到如下的x-y数值表；
测量得到的x-y数值表
根据测量得到的x-y数值表，描绘出二维坐标系中最小二乘法散点及拟合曲线，根据最小二乘原理利用MATLAB拟合出直线方程为：
y＝0.556·x-0.009 (1)
根据最小二乘法数据拟合原理，测量距离y值可表示为：
yt＝b+kxt+εt，t＝1,2,L,N (2)
式中，xt表示X轴坐标，yt表示对应xt的Y轴坐标，k表示直线斜率，b表示截距，ε1,ε2,L,εN分别表示其他随机因素对距离值y1,y2,L,yN影响的总和。
设得到的直线方程为：
残差方程为：
根据平方损失函数以及测量值的计算公式为：
对模型一中二维坐标系，根据最小二乘法对测量出的Y轴方向上的距离值进行处理，可计算出两条直线的斜率，根据斜率计算出与x轴的夹角α与β，进而计算得出被测角度，角度计算表示为：
同理对模型二中数学计算模型，角度计算为：
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