基于光敏半导体材料的多自由度电机姿态检测传感器以及多自由度电机姿态检测方法

技术领域

本发明属于传感器领域，尤其涉及一种基于光敏半导体材料的多自由度电机姿态检测传感器以及多自由度电机姿态检测方法。

背景技术

随着工业自动化的迅速发展和人工成本的提高，可以在个多自由度上完成高精度伺服运动的工业机器人、工业云台等装置获得了大规模应用。现有多自由度运动装置主要由多个单自由度运动装置通过传动机构组合而成，存在机械结构复杂、转动惯量较大、动态响应精度低等问题。单个机构可以完成偏转、俯仰运动的多自由度电机因其球形结构设计紧凑、无需机械传动、原理简单而受到广泛关注。

为实现对多自由度电机的高精度实时闭环控制，需要解决三大问题：一是建立电磁转矩模型；二是完成实时姿态检测；三是实现高速驱动控制。系统闭环控制精度与实时姿态检测精度正相关，传统姿态检测方法按照检测装置是否与转子发生接触，可以分为检测装置与转子互联的接触检测、检测装置与转子分离的无接触检测、无专门检测装置的无传感器检测三大类。其中，无接触检测能更好地适应多自由度电机的特殊球形结构且不影响其运转，常用方法有四种：

其一，在电机球形转子表面喷涂特征编码，采用视觉传感器识别特征编码进而解算转子姿态；

其二，通过布设光学传感器捕捉电机球形转子表面反射的光信号，光学传感器将光信号转换为位移信号进而解算转子姿态；

其三，在与转子连接的输出轴上安装微机电传感器系统，输出三轴加速度、速度、欧拉角，进而解算转子姿态；

其四，通过布设霍尔传感器检测转子磁极的磁场分布，分析传感器输出编码解算转子姿态。

现有技术的缺点具有以下缺点：

(1)视觉传感器法需采集大量图像进行分析处理，受处理速度影响，在线姿态检测难以实现，难以用于多自由度电机闭环控制；

(2)光学传感器法需靠近转子布设传感器，捕捉转子表面反射的光信号，容易产生运动奇点，不利于多自由度电机在多个自由度上实现运动；

(3)微机电传感器法的输出信号存在随时间累积的零点偏移误差，需经常校正误差，在多自由度电机实际控制过程中适用性不佳；

(4)霍尔传感器法需靠近磁极布设传感器组，受电机内空间限制，霍尔传感器无法实现密布，检测精度受限。

发明内容

本发明提供了一种基于光敏半导体材料的多自由度电机姿态检测传感器。基于此传感器的多自由度电机无接触姿态检测具有较高的响应速度，有效改善视觉传感器检测过程中存在的延时问题，可以完成在线姿态检测并应用于多自由度电机的控制环节；无需在多自由度电机内布设器件，仅需在电机输出轴上安装激光源即可实现电机姿态检测，有效避免光学传感器法存在的运动奇点问题和霍尔传感器法存在的精度问题；基于激光源的良好指向性，以及输入传感器的光信号与输出电信号间稳定的映射关系，此传感器具有良好的检测精度和稳定性，可有效避免微机电传感器法存在的零点偏移误差问题；检测精度随着电机运动单位角度时激光扫过的感光单元数增加而提升。在传感器尺寸和安装位置保持不变的条件下，可以通过缩小感光单元尺寸以提升感光单元布设密度，提升检测精度；在感光单元尺寸和布设密度保持不变的条件下，增大传感器与多自由度电机间的安装距离，同时增加感光单元数量，提升检测精度。因此传感器的检测精度稳定且可控。

本发明提供一种基于光敏半导体材料的多自由度电机姿态检测传感器，通过检测多自由度电机输出轴上发出的激光在传感器上的照射位置，实现对多自由度电机的姿态检测。由三部分组件构成，分别是：感光模块，用于接收来自多自由度电机的激光信号并实现光电转换；信号采集模块，将感光模块产生的N*N个电压信号通过行、列信号总线转换为2*N个电压信号，降低信号采集压力；模数转换模块，将信号采集模块输出的2*N个电压信号转换为数字量传输至上位机，实现姿态检测。

进一步，感光模块由三部分组件构成，分别是：正电极线路、硫化镉、负电极线路；N+1行和N+1列正电极线路宽度为r，围成N*N个宽度为c的方格，方格中心打孔后插入N*N条负电极线路；硫化镉层附着在陶瓷基板上，与正、负电极线路共同构成N*N个感光单元。

进一步，感光模块上的感光单元受多自由度电机输出轴上发出的激光源照射时，感光单元内硫化镉产生内光电效应致使其电阻显著降低，正电极线路与负电极线路间电阻降低；所述多自由度电机姿态检测传感器通过检测这种基于内光电效应导致的电阻变化，实现光信号到电信号的转换。

进一步，信号采集模块采用印刷电路，印刷电路存在N*N组相互独立的电阻-二极管组件；感光模块上的负电极线路与信号采集模块上的N*N个负电极线路焊盘分别联通，与电阻-二极管组件中的分压电阻R构成N*N个分压电路，分压电阻R的另一端接地线；信号采集模块中二极管的作用是实现行、列信号总线的信号隔离，同时将N*N个分压电路间信号隔离，以确保稳定检测；负电极线路焊盘位于分压电路中点，此处设为信号采集点，当硫化镉受到激光照射时，信号采集点电压被拉高，此时两个二极管同时导通，分别独立向对应行、列信号总线送出被拉高的电压信号，反之总线电压趋近0，电压信号由N*N转变为2*N个，实现信号采集数量的降维。

进一步，模数转换模块采集信号采集模块上的2*N个电压信号，将模拟量转换为数字量u传输至上位机，组成电压矩阵u，上位机根据预设的电压阈值d对电压矩阵u中的元素判断并编码，编码的约束条件为：

电压矩阵u为：

形成编码矩阵τ；

上位机根据编码矩阵τ判断传感器上受到激光源照射的感光单元所在位置，结合传感器与受检多自由度电机的相对安装位置，解算电机的实时姿态。

进一步，提供一种基于所述的传感器的多自由度电机姿态检测方法，包括以下步骤，

步骤1，多自由度电机输出轴上的激光源照射传感器感光模块，

步骤2，感光模块上的感光单元内硫化镉电阻降低；

步骤3，信号采集模块上，受激光源照射的分压电路的信号采集点电压被拉高；

步骤4、二极管导通并拉高对应行、列信号总线电压，其余行、列信号总线电压趋近0；

步骤5，N*N个电压信号通过行、列信号总线转换为2*N个电压信号；

步骤6；模数转换模块采集行、列信号总线上的2*N个电压信号；

步骤7；将电压信号模拟量转换为数字量u传输至上位机，上位机根据预设的电压阈值d对电压矩阵u中的元素判断并编码，编码的约束条件为：

电压矩阵u为：

形成编码矩阵τ；

步骤8；上位机根据编码矩阵τ判断传感器上受到激光源照射的感光单元所在位置，当有一个感光单元受到照射时，对应的编码矩阵中的τ

当多自由度电机完成包括偏转和俯仰运动的2自由度运动时，多自由度电机输出轴偏离铅垂线的夹角为

q＝c*N+r*(N+1),

初始状态下输出轴法线与铅垂线重合，其延长线过传感器几何中心，距离i,j＝1的行、列信号总线最近的边角作为传感器坐标原点(0,0)，当N为奇数时传感器的中心坐标为：

当激光源照射的感光单元为σ

所述多自由度电机输出轴在2个自由度方向上的角位移分别为：

得到多自由度电机偏转角、俯仰角的姿态信息。

本发明技术方案带来的有益效果：

该基于光敏半导体材料的多自由度电机姿态检测传感器，可以通过无接触方式实现对电机的姿态检测。其优势在于：无需进行大量运算或建模，检测速度较快，可以实现实时在线检测并应用于电机控制；传感器布设于电机以外，通过检测电机输出轴上的激光源检测其姿态，不存在运动奇点；检测精度与电机运动单位角度时激光扫过的感光单元数正相关，可以通过缩小感光单元尺寸并提升感光单元布设密度、增大传感器与多自由度电机间距离并增加感光单元数量来实现，检测精度可控；检测速度主要与模数转换模块采集速率相关，可通过算法对模数转换模块信号采集顺序进行优化，进一步减小信号采集压力，提升检测速度。

附图说明

图1为基于光敏半导体材料的多自由度电机姿态检测传感器结构图，包括感光模块、信号采集模块、模数转换模块；

图2为本发明实施例提供的感光模块结构示意图；

图3为本发明实施例提供的信号采集模块结构示意图；

图4为本发明实施例提供的单个分压电路模型示意图；

图5为本发明实施例提供的多自由度电机姿态运算原理示意图；

图6为本发明实施例提供的基于传感器的光电检测和基于上位机的姿态运算流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明提供一种基于光敏半导体材料的多自由度电机姿态检测传感器，通过检测多自由度电机输出轴上发出的激光在传感器上的照射位置，实现对多自由度电机的姿态检测。附图1为本发明实施例的姿态检测传感器，由三部分组件构成，分别是：感光模块，布设N*N个感光单元，每个感光单元均可用于接收来自多自由度电机的激光信号并实现光电转换；信号采集模块，将感光模块产生的N*N个电压信号通过行、列信号总线转换为2*N个电压信号，降低信号采集压力；模数转换模块，将信号采集模块输出的2*N个电压信号采集并转换为数字量传输至上位机进行信号解算以实现姿态检测。附图1中令N＝3。

传感器的感光模块由三部分组件构成，分别是：正电极线路、硫化镉(CdS)、负电极线路。模块基于直接覆铜(Direct Bond Copper)氧化铝(Al

采用掩模和液相沉积工艺在N*N个方格内沉积光敏半导体材料硫化镉(CdS)，沉积完成后在感光模块表面涂刷环氧树脂，实现对半导体材料的防潮与保护。硫化镉层附着在陶瓷基板上，与正、负电极线路共同构成N*N个感光单元；

感光模块上的感光单元受多自由度电机输出轴上发出的激光源照射时，感光单元内硫化镉(CdS)产生内光电效应，致使其电阻显著降低，正电极线路与负电极线路间电阻降低。所述多自由度电机姿态检测传感器通过检测这种基于内光电效应导致的电阻变化，实现光信号到电信号的转换；

传感器的信号采集模块依托如图3所示的印刷电路(Printed Circuit Board)，存在N*N组相互独立的电阻-二极管组件，其中包括分压电阻R和二极管。感光模块上N*N个感光单元的负电极线路与信号采集模块上的N*N个负电极线路焊盘分别联通，与电阻-二极管组件中的分压电阻R构成N*N个如图4所示的分压电路，分压电阻R的另一端接地线；

印刷电路上布设N条行信号总线和N条列信号总线。如图4所示，负电极线路焊盘位于分压电路中点，此处设为信号采集点，每个信号采集点引出2条信号线，分别经1N4001二极管与对应的行、列信号总线连接。信号采集模块中二极管的作用是实现行、列信号总线的信号隔离，同时将N*N个分压电路间信号隔离，以确保稳定检测。当硫化镉受到激光照射时，分压电路中点的信号采集点电压被拉高，两个二极管同时导通，分别独立向对应行、列信号总线送出被拉高的电压信号，反之总线电压趋近0。因此，采集N个行信号总线和N个列信号总线共计2*N个电压信号，采用坐标法即可推得N*N个分压电路信号采集点的电压，信号采集压力显著降低，实现信号采集数量的降维；

传感器的模数转换模块采集信号采集模块上行、列信号总线共计2*N个电压信号，将模拟量转换为数字量u传输至上位机，组成电压矩阵u，上位机根据预设的电压阈值d对电压矩阵u中的元素判断并编码，将电压信号编码成0或1，编码的约束条件为：

电压矩阵u为：

将行、列电压信号编码成有2行N列的二维矩阵，形成编码矩阵τ，

上位机根据编码矩阵τ判断传感器上受到激光源照射的感光单元所在位置，结合传感器与受检多自由度电机的相对安装位置，解算电机的实时姿态。具体步骤如下：

S1：当有一个感光单元受到照射时，编码矩阵τ中对应的τ

S2：多自由度电机姿态解算过程如图5所示。当多自由度电机完成包括偏转和俯仰运动的2自由度运动时，多自由度电机输出轴偏离铅垂线的夹角为

根据图2传感器的感光模块上设计的N*N个感光单元，计算得到感光模块的边长q为：

q＝c*N+r*(N+1),

初始状态下输出轴法线与所示铅垂线重合，其延长线过传感器几何中心，以图3所示距离i,j＝1的行、列信号总线最近的边角作为传感器坐标原点(0,0)，当N为奇数时传感器的中心坐标为：

当激光源照射的感光单元为σ

S3：多自由度电机姿态可以表示为输出轴在偏转和俯仰运动的2个自由度方向上的角位移，分别为：

S4：基于光敏半导体材料的多自由度电机姿态检测传感器工作流程如图6所示，通过传感器完成光电检测，将受到激光照射时的光信号转换为电压信号。通过上位机完成电压信号编码，并解算得到多自由度电机偏转角(Yaw)、俯仰角(Pitch)的姿态信息。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。