CN109323649B - 一种基于霍尔效应的角位移解算方法 - Google Patents

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    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/30—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes

Abstract

本发明涉及一种基于霍尔效应的角位移解算方法，属于光电吊舱技术领域。本发明基于霍尔效应设计了一种角位移解算方法，根据该方法已得到工程应用，经试验证明该方法可以有效解决基于线性霍尔传感器的测角装置的角度解算问题；数据源来自于测角装置内部的霍尔传感器采样，计算量小、计算时间短(系统时钟80MHz，计算时间小于100us)，满足实时性要求；该解算方法适用范围广，可以普遍应用于类似的基于线性霍尔传感器的测角装置中。

Description

一种基于霍尔效应的角位移解算方法
技术领域
本发明属于光电吊舱技术领域，具体涉及一种基于霍尔效应的角位移解算方法。
背景技术
小型无人机的带载能力有限，因此对作为其重要任务设备的光电吊舱也提出了小型化的要求。在小型(1.5Kg以下)四框架光电吊舱中，有限的空间用于承载光电探测设备，吊舱外框架需要做大范围角运动，使用单独的角度传感器一般体积较大，在小型吊舱中应用比较困难，因此设计了一种基于线性霍尔传感器的小型测角装置，用于测量框架角位移，装置原理图见图1。该装置使用两个线性霍尔传感器正交安装在电机驱动电路板上，电机输出轴端面粘贴圆形磁铁。磁铁随电机旋转时，两路霍尔传感器通过磁感应输出相位差90°的电压信号，电机和吊舱框架之间采用齿轮传动，减速比为d_scale，针对该装置，需要给出一种将该两路霍尔电压信号解算成在-180°～180°角度范围内相应框架角位移的方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何针对基于线性霍尔传感器的小型测角装置中两个线性霍尔传感器感应出的电压，解算出吊舱框架-180°～180°范围内的角度值，并且使角度值的噪声尽可能小。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于霍尔效应的角位移解算方法，包括以下步骤：
第一步，组装出一种基于线性霍尔传感器的测角装置，用于测量框架角位移，该装置中，使用两个线性霍尔传感器即第一霍尔传感器和第二霍尔传感器，正交安装在电机驱动电路板上，电机输出轴端面粘贴圆形磁铁，磁铁随电机旋转时，两路霍尔传感器通过磁感应输出相位差90°的电压信号，电机和吊舱框架之间采用齿轮传动；
设Hall_sin是第一霍尔传感器输出电压经AD芯片采样后的值；Hall_cos是第二霍尔传感器输出电压经AD芯片采样后的值；Tsam是AD采样周期；fc是低通滤波器的截止频率；fHall_sinK是第一霍尔传感器输出电压经AD芯片采样后的值再经过低通滤波后的当前值；fHall_sinK-1是第一霍尔传感器输出电压AD采样值上一次低通滤波后的值；fHall_cosK是第二霍尔传感器输出电压经AD芯片采样后的值再经过低通滤波后的当前值；fHall_cosK-1是第二霍尔传感器输出电压AD采样值上一次低通滤波后的值；Angle_motorK是电机输出轴角度当前计算值；Angle_motorK-1是电机输出轴角度上一次计算值；Angle_gimbleK是吊舱框架角度当前计算值；d_scale是齿轮减速比；Angle_gimble是吊舱框架角度值；init_ang是初始零位偏差角；P是电机正转的圈数；N是电机反转的圈数；
第二步、采集两个霍尔传感器的输出的数据，并对两个霍尔传感器的输出的数据进行低通滤波：
采集第一霍尔传感器输出电压AD采样值上一次低通滤波后的值、第一霍尔传感器输出电压经AD芯片采样后的值、第二霍尔传感器输出电压经AD芯片采样后的值、第二霍尔传感器输出电压AD采样值上一次低通滤波后的值；
第三步、根据第二步的数据采集结果计算第一霍尔传感器的AD采样值数字低通滤波值：
Figure BDA0001830895410000031
第四步、根据第二步的数据采集结果计算第二霍尔传感器的AD采样值数字低通滤波值：
Figure BDA0001830895410000032
第五步、根据第三步、第四步的结果，将两路滤波后的霍尔传感器滤波值解算成电机输出轴在-180°～180°范围内的角度值：
Angle_motorK＝atan2(fHall_sinK，fHall_cosK) (3)
第六步、根据第五步的结果进行正反转圈数计数逻辑判断
如果Angle_motorK-Angle_motorK-1≥300，那么P＝P+1；
如果Angle_motorK-Angle_motorK-1≤-300，那么N＝N-1；
第七步、将电机输出轴角度值解算成吊舱框架角
Angle_gimbleK＝[Angle_motorK+(P+N)×360]/d_scale-init_ang (4)
第八步、根据以下逻辑将吊舱框架角转换到-180°～180°区间
如果Angle_gimbleK>180，那么
Angle_gimbleK＝Angle_gimbleK-360；P＝P-d_scale；
如果Angle_gimbleK<-180，那么
Angle_gimbleK＝Angle_gimbleK+360；N＝N+d_scale。
优选地，Tsam不小于1ms。
优选地，Tsam取0.5ms。
优选地，fc为100Hz。
优选地，fHall_sinK-1初始值设为0。
优选地，fHall_cosK-1初始值设为0。
优选地，P初始值为0。
优选地，N初始值为0。
(三)有益效果
本发明基于霍尔效应设计了一种角位移解算方法，根据该方法已得到工程应用，经试验证明该方法可以有效解决基于线性霍尔传感器的测角装置的角度解算问题；数据源来自于测角装置内部的霍尔传感器采样，计算量小、计算时间短(系统时钟80MHz，计算时间小于100us)，满足实时性要求；该解算方法适用范围广，可以普遍应用于类似的基于线性霍尔传感器的测角装置中。
附图说明
图1是基于线性霍尔传感器的小型测角装置结构示意图；
图2是本发明的方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明提供了一种基于霍尔效应的角位移解算方法，包括以下步骤：
第一步，按照图1所示的结构组装出一种基于线性霍尔传感器的小型测角装置，用于测量框架角位移，该装置中，使用两个线性霍尔传感器即第一霍尔传感器和第二霍尔传感器，正交安装在电机驱动电路板上，电机输出轴端面粘贴圆形磁铁。磁铁随电机旋转时，两路霍尔传感器通过磁感应输出相位差90°的电压信号，电机和吊舱框架之间采用齿轮传动；
设Hall_sin是第一霍尔传感器输出电压经AD芯片采样后的值；Hall_cos是第二霍尔传感器输出电压经AD芯片采样后的值；Tsam是AD采样周期，是人为根据需要进行设定的值，该值一般不小于1ms，在本装置中取0.5ms；fc是低通滤波器的截止频率，在本装置中为100Hz；fHall_sinK是第一霍尔传感器输出电压经AD芯片采样后的值再经过低通滤波后的当前值；fHall_sinK-1是第一霍尔传感器输出电压AD采样值上一次低通滤波后的值，初始值设为0；fHall_cosK是第二霍尔传感器输出电压经AD芯片采样后的值再经过低通滤波后的当前值；fHall_cosK-1是第二霍尔传感器输出电压AD采样值上一次低通滤波后的值，初始值设为0；Angle_motorK是电机输出轴角度当前计算值；Angle_motorK-1是电机输出轴角度上一次计算值；Angle_gimbleK是吊舱框架角度当前计算值；d_scale是齿轮减速比；Angle_gimble是吊舱框架角度值；init_ang是初始零位偏差角；P是电机正转的圈数，初始值为0；N是电机反转的圈数，初始值为0；
参考图2，第二步、采集两个霍尔传感器的输出的数据，并对两个霍尔传感器的输出的数据进行低通滤波：
采集第一霍尔传感器输出电压AD采样值上一次低通滤波后的值、第一霍尔传感器输出电压经AD芯片采样后的值、第二霍尔传感器输出电压经AD芯片采样后的值、第二霍尔传感器输出电压AD采样值上一次低通滤波后的值；
第三步、根据第二步的数据采集结果计算第一霍尔传感器的AD采样值数字低通滤波值：
Figure BDA0001830895410000061
第四步、根据第二步的数据采集结果计算第二霍尔传感器的AD采样值数字低通滤波值：
Figure BDA0001830895410000062
第五步、根据第三步、第四步的结果，将两路滤波后的霍尔传感器滤波值解算成电机输出轴在-180°～180°范围内的角度值：
Angle_motorK＝atan2(fHall_sinK，fHall_cosK) (3)
第六步、根据第五步的结果进行正反转圈数计数逻辑判断
如果Angle_motorK-Angle_motorK-1≥300，那么P＝P+1；
如果Angle_motorK-Angle_motorK-1≤-300，那么N＝N-1；
第七步、将电机输出轴角度值解算成吊舱框架角
Angle_gimbleK＝[Angle_motorK+(P+N)×360]/d_scale-init_ang (4)
第八步、根据以下逻辑将吊舱框架角转换到-180°～180°区间
如果Angle_gimbleK>180，那么
Angle_gimbleK＝Angle_gimbleK-360；P＝P-d_scale；
如果Angle_gimbleK<-180，那么
Angle_gimbleK＝Angle_gimbleK+360；N＝N+d_scale。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于霍尔效应的角位移解算方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，组装出一种基于线性霍尔传感器的测角装置，用于测量框架角位移，该装置中，使用两个线性霍尔传感器即第一霍尔传感器和第二霍尔传感器，正交安装在电机驱动电路板上，电机输出轴端面粘贴圆形磁铁，磁铁随电机旋转时，两路霍尔传感器通过磁感应输出相位差90°的电压信号，电机和吊舱框架之间采用齿轮传动；
设Hall_sin是第一霍尔传感器输出电压经AD芯片采样后的值；Hall_cos是第二霍尔传感器输出电压经AD芯片采样后的值；Tsam是AD采样周期；fc是低通滤波器的截止频率；fHall_sinK是第一霍尔传感器输出电压经AD芯片采样后的值再经过低通滤波后的当前值；fHall_sinK-1是第一霍尔传感器输出电压AD采样值上一次低通滤波后的值；fHall_cosK是第二霍尔传感器输出电压经AD芯片采样后的值再经过低通滤波后的当前值；fHall_cosK-1是第二霍尔传感器输出电压AD采样值上一次低通滤波后的值；Angle_motorK是电机输出轴角度当前计算值；Angle_motorK-1是电机输出轴角度上一次计算值；Angle_gimbleK是吊舱框架角度当前计算值；d_scale是齿轮减速比；Angle_gimble是吊舱框架角度值；init_ang是初始零位偏差角；P是电机正转的圈数；N是电机反转的圈数；
第二步、采集两个霍尔传感器的输出的数据，并对两个霍尔传感器的输出的数据进行低通滤波：
采集第一霍尔传感器输出电压AD采样值上一次低通滤波后的值、第一霍尔传感器输出电压经AD芯片采样后的值、第二霍尔传感器输出电压经AD芯片采样后的值、第二霍尔传感器输出电压AD采样值上一次低通滤波后的值；
第三步、根据第二步的数据采集结果计算第一霍尔传感器的AD采样值数字低通滤波值：
Figure FDA0002439314090000021
第四步、根据第二步的数据采集结果计算第二霍尔传感器的AD采样值数字低通滤波值：
Figure FDA0002439314090000022
第五步、根据第三步、第四步的结果，将两路滤波后的霍尔传感器滤波值解算成电机输出轴在-180°～180°范围内的角度值：
Angle_motorK＝atan2(fHall_sinK，fHall_cosK) (3)
第六步、根据第五步的结果进行正反转圈数计数逻辑判断
如果Angle_motorK-Angle_motorK-1≥300，那么P＝P+1；
如果Angle_motorK-Angle_motorK-1≤-300，那么N＝N-1；
第七步、将电机输出轴角度值解算成吊舱框架角
Angle_gimbleK＝[Angle_motorK+(P+N)×360]/d_scale-init_ang (4)
第八步、根据以下逻辑将吊舱框架角转换到-180°～180°区间
如果Angle_gimbleK＞180，那么
Angle_gimbleK＝Angle_gimbleK-360；P＝P-d_scale；
如果Angle_gimbleK＜-180，那么
Angle_gimbleK＝Angle_gimbleK+360；N＝N+d_scale。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，Tsam不小于1ms。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，Tsam取0.5ms。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，fc为100Hz。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，fHall_sinK-1初始值设为0。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，fHall_cosK-1初始值设为0。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，P初始值为0。
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