一種新型集成磁角度傳感器的應(yīng)用

一種新型集成磁角度傳感器的應(yīng)用

0動(dòng)態(tài)跟蹤關(guān)鍵技術(shù)隨著銀行監(jiān)管、交通管理、酒店、大型場(chǎng)所、超市、社區(qū)管理和礦工管理的完善，安全監(jiān)督管理已成為一個(gè)重要問題。為了實(shí)現(xiàn)靈活、高效、全方位了解、記錄現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)信息,高精度的攝像機(jī)成為市場(chǎng)的需求熱點(diǎn),而云臺(tái)及其控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)掃描監(jiān)控的關(guān)鍵設(shè)備。原先固定不動(dòng)的攝像機(jī)由于只能監(jiān)視固定方向的圖像,已不適應(yīng)動(dòng)態(tài)監(jiān)控的使用要求。在文娛體育電影電視舞臺(tái)拍攝、森林防火、防災(zāi)、環(huán)保檢測(cè)、軍事裝備等方面,越來越多應(yīng)用環(huán)境要求攝像機(jī)能實(shí)現(xiàn)可根據(jù)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的情況動(dòng)態(tài)在線地改變方向、調(diào)整焦距。同時(shí),由于反恐保安與國家安全的需要,人像智能識(shí)別也要求有高精度閉環(huán)反饋控制的云臺(tái)系統(tǒng)作為依托。目前,常規(guī)云臺(tái)只能提供恒定轉(zhuǎn)速的平面轉(zhuǎn)動(dòng)與俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)。其轉(zhuǎn)動(dòng)角度區(qū)域僅靠接近開關(guān)產(chǎn)生換向控制信號(hào),使云臺(tái)內(nèi)控制電機(jī)變換轉(zhuǎn)動(dòng)方向?qū)崿F(xiàn)往復(fù)持續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)。常規(guī)云臺(tái)只是被動(dòng)變換轉(zhuǎn)動(dòng)方向,不能提供與轉(zhuǎn)動(dòng)位置對(duì)應(yīng)的輸出電信號(hào),不能根據(jù)觀測(cè)者的要求改變轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域和轉(zhuǎn)動(dòng)速率,不能滿足動(dòng)態(tài)跟蹤被監(jiān)測(cè)對(duì)象的技術(shù)需求,應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。本文將闡述采用集成磁角度傳感器的電控云臺(tái)及其控制和機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。1具有高清的智能敏感元件特性新型磁角度傳感器集成芯片采用微電子技術(shù),將特殊磁性集束薄膜材料與半導(dǎo)體磁敏感材料一體化設(shè)計(jì),結(jié)合微型計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)信號(hào)處理技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù),構(gòu)成具有優(yōu)異特性、可實(shí)現(xiàn)360°全量程線性測(cè)量、分辨力為0.022°、可編程選定測(cè)量范圍,且具有數(shù)字量和模擬量輸出的高性能智能敏感元件。集成磁角度傳感器提供一個(gè)完整系統(tǒng)的解決方案,特殊磁性集束薄膜材料將外部空間磁場(chǎng)集束轉(zhuǎn)換為垂直于磁敏元件的磁場(chǎng),差動(dòng)磁敏薄膜材料將與外界旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)的特定磁場(chǎng)集束轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),模擬前端集成A/D轉(zhuǎn)換器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),通過數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)與接口電路,可以提供與絕對(duì)位置旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)的模擬量、PWM脈寬調(diào)制波和絕對(duì)角度位置信息,通過串行外圍接口(serialperipheralinterface,SPI)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行處理。2基于集成磁傳感器的熱容量測(cè)量基于新型集成磁角度傳感器的云臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。市場(chǎng)上常用云臺(tái)都是由固定部分、水平旋轉(zhuǎn)部分和俯仰角旋轉(zhuǎn)三部分構(gòu)成。固定部分是承載云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的基座。水平旋轉(zhuǎn)部分由固定于旋轉(zhuǎn)端蓋上的電機(jī)驅(qū)動(dòng),通過齒輪嚙合,使得上端蓋圍繞中心軸產(chǎn)生平面轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)新型集成磁角度傳感器360°測(cè)量和云臺(tái)平面轉(zhuǎn)動(dòng)特點(diǎn),另外安裝了一套傳動(dòng)比為1∶1的齒輪組,在副齒輪的轉(zhuǎn)軸端,安裝一個(gè)特定磁場(chǎng),將集成磁敏芯片非接觸同心地安裝在相對(duì)應(yīng)的位置,如圖1所示。平面電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),通過齒輪組的傳遞,使齒輪的轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng),軸端固定的特定磁場(chǎng)與集成磁敏元件產(chǎn)生相對(duì)角度變化,從而可得到分辨力為0.022°的高精度平面轉(zhuǎn)角測(cè)量。相對(duì)于平面轉(zhuǎn)動(dòng)來說,由于云臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)俯仰角獲取電信號(hào)的輸出是相對(duì)比較困難。云臺(tái)的俯仰角是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的,俯仰角驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)齒輪組、驅(qū)動(dòng)蝸輪和蝸桿,承載臺(tái)固定于蝸輪兩端。為了獲取與俯仰角旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的電信號(hào),將承載臺(tái)中心部分挖空,將一根水平加長軸與蝸輪相連,在水平加長軸的軸端安裝一個(gè)特定的磁場(chǎng)。由于磁傳感器非接觸的特點(diǎn),可以將集成磁角度傳感器同心地固定在云臺(tái)端蓋的上部支架,如圖1所示。將獲得的平面轉(zhuǎn)角和俯仰轉(zhuǎn)角的雙路電信號(hào)引入專用信號(hào)處理電路板,以上信號(hào)再進(jìn)行模擬量信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化處理或數(shù)字量輸出模式的信號(hào)轉(zhuǎn)換,可以得到以SPI,RS232,RS485接口形式的數(shù)字量輸出。3上位機(jī)設(shè)計(jì)電控云臺(tái)通過下位機(jī)讀取磁角度傳感器的SPI信號(hào),將信號(hào)讀取處理之后發(fā)送到上位機(jī),通過上位機(jī)來控制云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)速。下位機(jī)和上位機(jī)之間通過串口方式完成角度數(shù)據(jù)交換。1上位機(jī)的選擇由于上位機(jī)要整體控制云臺(tái)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速,還要完成人機(jī)之間的交互動(dòng)態(tài)響應(yīng),所以,上位機(jī)選擇為個(gè)人PC,通過串口方式與下位機(jī)完成通信。下位機(jī)主要用來讀取絕對(duì)角度位置數(shù)據(jù),而且,要安裝在云臺(tái)之中,所以,選擇美國ATMEL公司的89C52型單片機(jī)作為下位機(jī)。圖2給出了上位機(jī)程序框圖。2c52的通信接口雙路磁角度傳感器的絕對(duì)角位置信號(hào)的接收通過AT89C52的6個(gè)P1的8位雙向I/O口來完成,上位機(jī)與下位機(jī)的通信接口通過AT89C52的P3的8位雙向I/O口來完成。整體控制電路如圖3所示。4結(jié)果分析和電子回收率結(jié)果對(duì)比,結(jié)果如下由于采用的無觸點(diǎn)角度傳感器在360°范圍內(nèi)為線性輸出,云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與傳感器輸出信號(hào)的線性關(guān)系是評(píng)估可控云臺(tái)的重要參數(shù)之一。實(shí)際測(cè)量云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與模擬信號(hào)輸出關(guān)系,采用最小二乘法進(jìn)行線性回歸處理得到的線性擬合圖。如圖4所示(水平方向360°),實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)和最小二乘法分析得到的殘差見表1。由圖4表明:測(cè)得的實(shí)際數(shù)據(jù)與理論計(jì)算后得到的擬合直線數(shù)據(jù)兩者基本完全吻合。將表1內(nèi)最大的殘差值-0.98554021°與全量程360°相除,得到最大線性誤差值為0.274%,磁編碼器輸出模擬信號(hào)的線性度小于0.3%,磁編碼器輸出模擬信號(hào)的線性度非常好。由于云臺(tái)有水平方向和俯仰角2個(gè)磁傳感器,但是,俯仰角方向要求120°的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍,仔細(xì)分析表1的殘差分布之后,將240°～360°的數(shù)據(jù)重新進(jìn)行最小二乘法的處理,可以得出新的結(jié)果,如圖5所示。新的數(shù)據(jù)如表2,最大殘差值為-0.48845°,與全量程360°相除,得到最大線性誤差值為0.138%。因此,可以得出結(jié)論:選定特定的120°用作俯仰角傳感器的旋轉(zhuǎn)范圍,可以實(shí)現(xiàn)比全量程更高的線性度。5結(jié)構(gòu)