姿态传感器 篇1
该综合测试与校准系统主要由姿态传感器、压力表、象限仪、药温传感器、高低调炮系统、方向调炮系统等校准装置组成。本文主要完成姿态传感器测试装置的设计。
姿态传感器测试装置组成
姿态传感器测试装置由电动测试平台、高精度倾角传感器、数据采集装置、手动微调装置等组成, 如图1所示。
英国Schaevitz公司Sherborne Schaev itz系列高精度闭环倾角传感器, 可获得无限分辨率, 极度敏感水平和垂直倾斜。高精度闭环倾角传感器的精度相对于电解质原理或者电容原理的倾角传感器在非线性、重复性、迟滞、温漂、抗冲击、振动等性能上优越很多, 产品型号主要有LSOC/LSOP、T233/T235、LSRP、T335和LSW系列[4]。根据系统需求, 测试装置选择了LSOP50, 测量范围±50°, 准确度12″, 精度达到要求, 价格也较为合理。
电动测试平台采用精密加工的蜗轮蜗杆传动机构, 由步进电机驱动, 手动调整机构用于精确调整平台。
电动测试平台设计
结构组成
电动测试平台包括高精度转台及其控制系统, 如图2所示, 它由平台、驱动装置、转动装置以及执行机构组成。它选用步进电机作为驱动装置, 经细分驱动电路, 蜗杆蜗轮减速后输出旋转运动。转台固定在机架上。将被测试姿态传感器固定于平台上, 控制电机进行旋转, 比较系统的输出即可。
结构设计
电动测试平台的机械结构由框架结构、轴系结构、支撑结构、步进电机、驱动机构等组成, 如图3所示。
(1) 框架结构
一般转台的框架结构有封闭的O型和矩形, 敞开式的U型和T型4种。其中, 矩形结构具有对称性好、整体刚度大、易于实现整圈旋转、结构紧凑、体积小等特点。
本电动测试平台属于角秒级的高精度测试转台, 为避免长期工作导致联接处磨损或松动, 保证精度, 采用封闭矩型结构。
(2) 轴系结构
轴系是实现电动测试平台各零部件有机联系的关键。轴系设计包括结构设计和工作能力计算两部分。结构设计主要是根据轴上零件的安装、定位及轴的制造工艺等方面的要求, 合理确定轴的结构形式和尺寸;工作能力计算主要涉及刚度、强度及振动稳定性等方面的计算。
为保证轴的同轴度, 尽可能地减小或消除其误差带来的影响, 本测试台采用整体加工方式, 轴台材质选用45钢。
(3) 支撑结构形式
支撑结构应能提供较高的定位精度、支撑动静刚度和承载能力, 对于轴承支撑处还应使摩擦阻力低而平均。常用形式有:机械轴承、空气轴承和液压轴承。
由于机械轴承易于保证较高的旋转和定位精度, 所以本测试台采用结构紧凑、支撑刚度可调、有预紧力的自润滑高精密 (P4级) 角接触球轴承。
(4) 动力源
步进电机选择德国bergerlahr公司EX系列防爆三相混合式步进电机, 具有外壳结实, 与同种规格电机相比, 出力大等优点[5,6]。电机结构设计紧凑, 体积小, 单位体积出力大。采用优质冷轧高矽片, 优化磁路设计, 磁损耗低。电机寿命长, 不受电机堵转影响。根据系统要求, 选择ExRDM3913N作为系统步进电机, 足以满足需求。步距角选择为0.09度。
(5) 步进电机驱动器及驱动方式分析
由于步进电机步距角为0.09度, 根据计算, 要满足系统精度, 需驱动器达到40细分以上, 因此选择北京前苏电子科技公司的ST-3HB驱动器。它采用新型的步进电机驱动电路, 交流伺服工作原理, 驱动电机运行非常平滑, 高速度, 高扭矩, 实现最大50细分高性能驱动, 适合驱动6A以下86, 110系列三相混合式步进电机, 其电路接线如图4所示, 输入信号电平为24V, 输入端串联一只2kΩ电阻。
驱动方式有单端驱动、双端驱动, 或直接驱动和采用减速器间接驱动。
因减速器的转动惯量一般较小, 因此可忽略, 对转台有:Jmotor≤Jframe。
当传动比较大 (如i=1/50) , 且
式中:J为转动惯量;i为传动比, 下标motor指电动机, 下标frame指框架;ω为转动速率。可见, 间接驱动可以提高系统固有频率。
由于本测试台需要超低速、宽调速, 故选择单端间接驱动方式。
控制电路设计
控制电路完成对姿态测试台的转动角度控制和转动速率控制, 测试台对应于姿态传感器角的变化。其中, 电机控制系统主芯片采用MSP430F149。电机隔离, 增强了电路的抗干扰性。电机控制指令通过上位机主控系统PXI模块发出, 控制器与上位机运行时, 产生的反向电动势对电路特性影响较大, 为此, 设计中对控制电机的信号使用RS232接口通信, 见图1。电机控制与驱动电路结构如图5所示。
数据采集、处理模块硬件设计
数据采集、处理模块基本结构
姿态传感器测试装置的数据采集、处理模块由主芯片MSP430F149、键盘、液晶显示屏和通信接口组成, 结构如图6所示。数据采集、处理模块电路由主控制电路、显示电路、键盘电路组成。
数据采集、处理模块主芯片选型
数据采集与处理模块采用MSP430F149作为主芯片, 该芯片是美国TI公司推出的超低功耗微处理器[7]。MSP430F149内部集成了两个16位定时器模块, 一个看门狗定时器模块, 两个具有中断功能的8位并行端口, 4个8位并行端口, 两个串行通信模块以及12位A/D模块。MSP430系列单片机的所有外围模块的控制都是通过特殊寄存器来实现的, 故其程序的编写相对简单。编程开发时通过专用的编程器, 可以选择汇编或C语言编程, IAR公司为MSP430系列的单片机开发了专用的C430语言, 可以通过Workbench和C-SPY直接编译调试, 使用灵活简单。
主控制电路设计
(1) 电源电路设计
技术要求:MSP430F149电源电压范围为1.8~3.6V;ST-3HB步进电机驱动器电源电压为24V。
电路设计:根据模块对电源的要求, 电源电路设计为降压电路, 选用由台湾生产的降压稳定的单组交换式电源供应器MEAN WELL的ELN-60-24V, 输出电压24V, 输出电流2.5A。再选用由TI公司生产的单路非隔离插入式DC-DC电源模块PT5103N, 其输出电压3.3V, 输出电流1A, 输入电压最小为9V、最大为26V。构成的电源电路可满足数据采集、处理模块各元器件及外设器件的需求。
(2) 晶振电路设计
对于一个高可靠性的模块设计, 晶体的选择非常重要。这是因为低供电电压提供给晶体的激励功率减少, 造成晶体起振很慢或根本就不能起振。这一现象在上电复位时并不特别明显, 原因是上电时电路有足够的扰动, 很容易建立振荡。在开始工作时, 电路的扰动要比上电时小得多, 起振变得很不容易。在振荡回路中, 晶体既不能过激励 (容易振到高次谐波上) 也不能欠激励 (不容易起振) 。
MSP430F149可接入2个外部振荡器, 一个为低速晶体振荡器, 通过XIN和XOUT两个引脚相连, 另一个为高速晶体振荡器, 通过XT2IN和XT2OUT两个引脚, 根据需要外接电容, 范围可以为450kHz~8MHz。
系统频率的选择与系统的工作电压密切相关, 需要较高的工作电压, 就需要为系统提供较高的频率。根据系统频率与工作电压的关系, 系统选择了4MHz的晶振。
(3) 复位电路设计
系统复位电路的设计一定要使系统能够充分复位, 在各种复杂情况下能稳定可靠地工作, 复位性能不好会影响系统的正常运行。MSP430F149有一RST复位管脚, 它与不可屏蔽中断功能管脚复用, 可由软件选择其功能, 正常情况下为复位功能。系统采用外接芯片复位的方法, 在复位脚上连接复位芯片HT7027, 具体电路如图7所示。
显示电路设计
在单片机应用系统中常用的显示器有发光二极管显示器 (LED) 和液晶显示器 (LCD) 。LCD具有体积小、质量轻、功耗低等优点, 姿态传感器测试装置的显示器选用液晶显示屏TS128-64。
TS128-64是一款图形点阵液晶显示屏, 它主要由行驱动器、列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成, 可完成图形显示, 也可以显示8×4个 (16×16点阵) 汉字。TS128-64共有20个引脚。
液晶显示屏通过一个20脚的插座与主芯片相连, 电路如图8所示。由图8可知, 液晶显示屏引脚与主芯片引脚的连接关系, P4的8个引脚作为数据引脚, P5.0和P5.1作为液晶的片选信号, P5.3控制使能信号, P5.4控制数据的读/写, P5.5控制液晶显示数据/显示指令数据, P5.6控制液晶的背光显示, P5.7控制液晶的驱动电压, 通过一个20kΩ的可调电阻调节驱动电压的大小, 从而控制液晶的亮度。
键盘电路设计
根据系统的功能及输入需要, 共设计有16个按键, 分别是退回键、方向左键、方向右键、确认键、0~9数字键、开/关机键和功能键, 部分按键具有双重功能。
MSP430F149单片机共有64个引脚, 其中P1和P2端口具有独立的中断功能, 在数据采集、处理模块中, P1和P2端口全部作为键盘控制脚。设计键盘电路时, 采用单键输入式键盘。单键输入式键盘是指直接用I/O端口线构成的单个按键电路键盘。每个单键输入式按键独占用一根I/O线, 每根I/O线上的按键工作状态不会影响其他I/O线的工作状态。16键键盘的电路如图9所示, 主芯片上的P1和P2各个引脚直接和总线相连。
数据采集、处理模块软件设计
数据采集、处理模块软件的主要任务有:硬件系统如特殊功能寄存器和I/O口等的初始化;按键功能设计和数据输入模块设计;显示屏显示采集到的数据。
数据采集、处理模块软件的主程序采用循环查询按键的方式监测按键标志, 根据按键进入相应的处理模块, 其处理过程为输入密位数, 电机启动;开启数据采集、处理模块的数据测量, 接收到数据后, 显示数据, 并计算修正量, 显示修正量。数据采集、处理模块主程序流程如图10所示。
结束语
本文完成了姿态传感器测试装置的设计, 首先给出了姿态传感器测试装置的组成, 然后设计了电动测试平台, 重点阐述了数据采集、处理模块硬件和软件设计。姿态传感器测试装置设计原理可行、工作稳定、精度可靠, 对提高部队的训练水平和作战能力具有重要意义。
摘要：某型自行加榴炮系统缺乏专门的综合测试手段, 在重大任务前一般只能进行定性和简单的定量检查, 无法保证装备的量值准确、统一, 因此, 有必要设计一套综合测试与校准系统, 本文主要阐述了姿态传感器测试装置的设计。首先给出了姿态传感器测试装置的组成, 然后介绍了电动测试平台设计, 并详细阐述了数据采集、处理模块硬件设计, 最后介绍了数据采集、处理模块软件设计。
关键词：姿态传感器,测试,数据采集,MSP430F149
参考文献
[1]童脘.基于虚拟仪器的火炮动态测试技术[J].火炮发射与控制学报, 2007, (1)
[2]刘克福, 李忠虹.基于PLC的火炮性能测试调平系统设计[J].机械工程师, 2008, (7)
[3]王化龙.基于MEMS和MR传感器的嵌入式系统姿态测量[J].微计算机信息, 2008, (6)
[4]贾伯年, 俞朴.传感器技术[J].南京:东南大学出版社, 2000, (8)
[5]王宗培, 段卫国.运动控制电机之步进电机[J].微电子, 2008, (9)
[6]王晨光, 孙运强, 许海鹰.步进电机的单片机控制设计分析[J].国外电子测量技术, 2008, (9)
姿态传感器 篇2
关键词：人机交互；Kinect传感器；姿态识别；PPT控制系统
随着人机交互在人们生活中的发展，大家越来越提出智能化，实现正真的人机交互。我们致力于研究出，一种全新的操控方式，基于kinect的姿势控制。通过人的姿态来控制PPT，可以更直观，更高效。增强PPT渲染力，说服力。也更符合现代人的需求，随心所欲更智能化。所选用Kinect体感手势识别传感器，其能够捕捉、跟踪以及解密人体的动作和手势，它通过对深度图像和骨骼图像的分析实现动态手势识别。在骨骼图像的20个骨点中选取至少2个有效骨骼点，通过追踪这些骨骼点的位置来实现对手部的追踪；再通过对手部深度图像的分析来实现动态手势识别。
一、Kinect的简单介绍
（一）Kinect简介
Kinect是微软为其Xbox 360游戏主机和Windows平台PC打造的一款运动感知输入设备，作为一款体感外设，它实际上是一个采用全新空间定位技术（Light Coding）的3D体感摄像头，利用即时动态捕捉、影像辨识、麦克风输入、语音辨识、社群互动等功能，允许玩家使用身体姿势和语音命令通过自然用户界面技术与Xbox 360交互，从而完全摆脱了传统游戏手柄的束缚。
（二） Kinect的主要配置有
RGB摄像头：为Xbox 360提供红、绿、蓝三颜色通道，主要作用在于面部识别和动作追踪；
深度传感器：深度传感器有红外线投影机加单色CMOS传感器组成，虽然功能并不复杂，但它可以让Xbox 360真正“看到”3D空间，而不是通过计算得出空间数据；
多点阵麦克风：主要功能是为了聊天以及语音命令识别，并可以帮助过滤环境噪声；
定制处理器和微软的定制软件：所有硬件都由微软设计的软件控制，商业目的。
（三）结构
Kinect有三个摄像头，中间是一个RGB摄像头，用来获取640×480的彩色图像，两边是两个深度传感器，左侧的是红外线发射器，右侧的是红外线接收器，用来检测玩家的相对位置。Kinect的两侧是一组四元麦克风阵列，用于声源定位和语音识别。
（四）kinect for windows SDK 功能介绍
骨骼追踪：对在Kinect视野范围内移动的一个或两个人进行骨骼追踪，可以追踪到人身体上的20个节点。此外，Kinect还支持更精确的人脸识别。
深度摄像头：利用“光编码”技术，通过深度传感器获取到视野内的环境三维位置信息。
音频处理：与Micorsoft Speech的语音识别API集成，使用一组具有消除噪声和回波的四元麦克风阵列，能够捕捉到声源附近有效范围之内的各种信息。
感应器：彩色和深度镜头，辅助感应倾斜驱动马，达完全相容所有Xbox 360装置。
二、Kinect程序流程
基于Kinect SDK中的API函数完成kinect解决方案，如下图所示，主要包括5个部分：初始化，获取图像，分析跟踪状态，显示图像，以及退出。下面将分别介绍。
Kinect SDK中的API函数以“Nui”开头，一般命名为“NuiXXXX”。为了与Kinect SDK中的API函数区别，kinect解决方案中的函数均以“KinectXXXX”命名，内部调用Kinect SDK中的API函数。
（一）初始化
对应KinectNuiInit（）函数，初始化Kinect设备，设置摄像头仰角，打开颜色流、深度流和骨架流。
（二）获取图像
对应KinectGetDepthImage（）、KinectColorFrameToImage（）和KinectGetSkeleton（）函数，从颜色流、深度流和骨架流中获得数据帧，转化为openCV中的IplImage图像类型。
上面的3个函数调用了KinectGetFrame（）、KinectDepthFrameToImage（）和KinectColorFrameToImage（），获取数据帧，并且转化为对应图像类型。
（三）分析跟踪状态
对应KinectJudgeTrack（），判断当前的跟踪状态以及控制权所示情况。
KinectJudgeTrack（）调用了KinectPointDistance（）和KinectPointHorizontalDistance（），求出两点之间的距离以及两点之间的水平距离。
三、演示系统结构
（一）演示框架
本文的虚拟演示系统是通过对骨骼数据的追踪来捕捉人体的动作来控制图片的移动，放大，缩小，旋转等操作，从而形成一个能与人交互的一个虚拟演示系统，总体结构如下：
图1 系统操作方案
（二）对骨骼数据的追踪
先定义骨骼点，通过定义的骨骼点确定骨骼位置；再定义一个骨骼状态函数，通过这个骨骼状态函数来捕捉人体的动作，最后通过时间模型来对骨骼数据进行追踪。
图2 骨骼追踪模式
（三） 图片操作
通过对骨骼的追踪，确定到手的位置，然后定义操作的动作来识别是对图片进行什么操作。先获取图片的中心位置，然后在进行操作。
图3 图片操作方案
（四）视频窗口
定义一个KinectSensor对象用来表示Kinect设备，定义一个数组来存放获取到的图像数据，再通过Loaded方法来来初始化视频数据并接收视频流，最后利用kinectSensor_ColorFrameReady方法来获取视频数据并显示出来。
图4 数据采集结构
（五）预演示
该方案应用体感外设作为LED全彩屏的手势输入终端。设备通过识别操作者的手势、动作来实现LED全彩屏的动作。
手势输入终端是一种新型的输入终端，它不同于传统意义上的输入终端，比如键盘、鼠标、游戏手柄等，它通过人体的手势以及动作将操作指令下达给设备。
本方案将体感外设作为新型的输入设备操作LED全彩屏，颠覆了以往LED屏只能显示无法互动的缺点。改变了以往LED显示后台操作的模式，实现了观众即是操作者的设计理念。
姿态传感器 篇3
红外传感器在无人机姿态平衡系统中的应用
为简化小型无人机内环控制的复杂程度,提出了使用红外温度传感器设计小型无人机平衡系统,以此替代传统的MEMS等惯性元件实现无人机内环控制的思路.介绍了红外平衡系统的.原理、组成和整体结构;通过论述TS105-3型红外温度传感器的功能参数和内部结构,以及处理器在数据采集和控制量输出等方面的设计,介绍了该系统的硬件组成和工作原理,以及小型无人机姿态平衡系统在软件功能规划等方面的具体设计,并给出了软件流程图.
作 者：张鹏翼 罗卫兵 楼超英 ZHANG Peng-yi LUO Wei-bing LOU Chao-ying 作者单位：武警工程学院,西安,710086刊 名：电光与控制 ISTIC PKU英文刊名：ELECTRONICS OPTICS & CONTROL年，卷(期)：14(6)分类号：V324关键词：无人机 红外温度传感器 脉宽调制 STC12C5410AD 姿态平衡系统