运动控制系统第八讲运动对象课件.pptx
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- 运动 控制系统 第八 对象 课件
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1、本讲主要内容8.1 距离检测8.1.1 激光雷达8.1.2 毫米波雷达、超声波雷达8.1.3 摄像头(图像视觉)8.2 直线位移检测8.2.1 光栅*8.2.2 感应同步器 8.2.3 磁栅式传感器 8.3 角位移检测 *8.3.1 旋转变压器 8.3.2 光电编码器 8.4 速度、加速度检测 *8.4.1 直流测速发电机 8.4.2 光电式速度传感器 8.4.3 加速度传感器 8.5 力、力矩检测 8.5.1 测力传感器 8.5.2 压力传感器 8.5.3 力矩传感器 *8.5.4 力与力矩复合传感器简述 检测技术是实现高速度、高精度运动控制必不可少的基础技术。运动控制的主要检测对象是距离、
2、位移、速度、加速度(力)、角度、角速度、角加速度等参数。运动控制系统要实现高性能的控制,就必须进行实时监测,以达到满意的运动控制效果。本章的重点是介绍位置、速度、加速度、角度、角速度、角加速度等参数的基本测量方法及其传感器的应用。8.1距离检测 距离是运动系统的一个主要参数,有关距离检测技术方法由:光电检测、激光雷达检测、红外检测与超声检测。本节的应用对象主要是车辆距离检测,面向的应用重点是自动驾驶汽车或者无人驾驶汽车。因此研究对象是摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达。8.1.1 激光雷达 1、激光雷达的工作原理 激光雷达是一种雷达系统,是一种主动传感器,所形成的数据是点云形式。其工作光
3、谱段在红外到紫外之间,主要发射机、接收机、测量控制和电源组成。工作原理为:首先向被测目标发射一束激光,然后测量反射或散射信号到达发射机的时间、信号强弱程度和频率变化等参数,从而确定被测目标的距离、运动速度以及方位。除此之外,还可以测出大气中肉眼看不到的微粒的动态等情况。激光雷达的作用就是精确测量目标的位置(距离与角度)、形状(大小)及状态(速度、姿态),从而达到探测、识别、跟踪目标的目的。图8-1图中符号说明:Servo motor伺服电机,Objects目标,Optical rotary encoder光学旋转编码器,Laser Source 激光源,Receiver接收器,Tilting
4、mirror转镜 2、激光雷达的现状及应用 激光技术从它的问世到现在,虽然时间不长,但是由于它有:高亮度性、高方向性、高单色性和高相干性等几个极有价值的特点,因而在国防军事、工农业生产、医学卫生和科学研究等方面都有广泛的应用。LiDAR技术在西方国家发展相对成熟,已经投入商业运行的激光雷达系统(主要指机载)主要有Optech(加拿大)、TopSys(法国)和Leica(美国)等公司的产品。3、激光雷达的发展趋势 1)星载激光雷达 2)战场侦察激光雷达 3)测风激光雷达 4)激光雷达寻标器8.1.2 毫米波雷达、超声波雷达 毫米波雷达是指工作在毫米波波段,频率在30300GHz之间的雷达。超声波
5、传感器是利用超声波的特性研制而成的,工作在机械波波段,工作频率在20kHz以上。图8-2 超声检测物理基础8.1.3 摄像头(图像视觉)摄像机(图像传感器)摄像机又称图像传感器,简称摄像头。无人驾驶汽车中配置的视觉传感器主要是工业摄像机,它是最接近于人眼获取周围环境信息的传感器。工业摄像机按照芯片类型可分为CCD摄像机和CMOS摄像机两种。图8-3就是一个摄像头。1、CCD摄像机,由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器及模拟/数字信号处理电路组成,具有体积小、重量轻、低功耗、无滞后、无灼伤、低电压等特点 2、CMOS摄像机,集光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信
6、号处理器及控制器于一体,具有传输速率高、动态范围宽、局部像素的可编程随机访问等优点,参见图8-3.图8-3 摄像头图8.2 直线位移检测 方法:一:光栅 二:同步感应器 三:磁栅式传感器 8.2.1 光栅 光栅是一种新型的位移检测元件,是将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测量装置。它的特点是测量精度高(可达1 m),响应速度快,量程范围大,可进行非接触测量等。由于光栅易于实现数字测量和自动控制,因此广泛应用于数控机床和精密测量之中。1光栅的结构 在透明的玻璃板上均匀地刻出许多明暗相间的条纹,或在金属镜面上均匀地刻出许多间隔相等的条纹,就形成了光栅。通常,这些条纹的间隙和宽度是相等的。以透光的玻
7、璃为载体的光栅,称为透射光栅;以不透光的金属为载体的光栅,称为反射光栅。根据光栅外形的不同,还可分为直线光栅和圆光栅。光栅的结构如图8-4所示,它主要由标尺光栅、指示光栅、光电器件和光源等组成。通常,标尺光栅和被测物体相连,随被测物体一起做直线位移。一般来说,标尺光栅和指示光栅的刻线密度是相同的,刻线之间的距离称为栅距。光栅条纹密度一般为每毫米25条、50条、100条、250条等。图8-42光栅工作原理 如果把两块栅距W相等的光栅平行安装,并让它们的刻线之间有较小的夹角,这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹,这种条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹沿着与光栅刻线几乎垂直的方向排列,如图8-5所示。光线透
8、过两块光栅非重合部分而形成亮带,亮带由一系列四棱形图案组成,如图8-5(a)中的dd线区所示;f f线区则是由两块光栅的遮光效应形成的。由此可见,标尺光栅和指示光栅的组合产生了莫尔条纹。图8-5(b)是dd线区的放大图,其中菱形的两条对边平行线的距离是W/2,即栅距的一半;菱形长对角线的长度是B,即莫尔条纹的间距。图8-5成像原理 图8-6所示的是一个光栅的测量成像原理图,其中图8-6(a)是四扫描场成像原理图,图8-6(b)是单扫描场成像原理图。需要注意的是,图8-6(b)所示的是结构化之后的莫尔条状结构,其结构简单,相对于四扫描场而言,制作容易。图8-63莫尔条纹的特点 1)莫尔条纹的位移
9、与光栅的移动成比例 当指示光栅不动、标尺光栅左右移动时,莫尔条纹将沿着接近于栅线的方向上下移动。光栅每移过一个栅距W,莫尔条纹就移过一个条纹间距B。查看莫尔条纹的移动方向,即可确定标尺光栅的移动方向。2)莫尔条纹具有位移放大作用 莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角之间的关系为:(8-1)(8-2)(8-2)4光栅测量的分辨率(8-3)图8-7图8-75光栅测量的模式 图8-8图8-86提高光栅精度的主要办法 提高光栅精度的主要办法是细分,其中电子细分应用较广。电子4倍频细分可在光栅相对移动一个栅距的位移(即电压波形在一个周期内)时,得到4个计数脉冲,从而将分辨率提高4倍。8实际产品实际产品 图8
10、-9所示的是一种直线光栅产品 图8-98.2.2 感应同步器 1感应同步器的定义 2感应同步器的分类 3感应同步器的结构 4感应同步器的工作原理 1感应同步器的定义 感应同步器是利用电磁感应原理把两个平面绕组间的位移转换成电信号的一种位移传感器。2感应同步器的分类 按测量位移的对象不同,感应同步器可分为直线型和圆盘型两类。直线型感应同步器用来检测直线位移,圆盘型感应同步器用来检测角位移。由于感应同步器成本低,受环境温度影响小,测量精度高,并且为非接触测量,所以在位移检测中得到广泛应用,特别是在各种机床的位移数字显示、自动定位和数控系统中。3感应同步器的结构 图8-108-10(a)8-10(b
11、)8-10图8-11 图8-11所示的是直线型感应同步器定尺和滑尺的结构。其制造工艺是先在基板(玻璃或金属)上涂上一层绝缘黏合材料,将铜箔粘牢,用制造印制电路板的腐蚀方法制成节距T为2 mm的方齿形线圈。定尺绕组是连续的。滑尺上分布着两个励磁绕组,分别称为正弦绕组和余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组相位相同时,余弦绕组与定尺绕组错开1/4节距。滑尺和定尺相对平行安装,其间保持一定间隙(0.050.2 mm)。4感应同步器的工作原理 在滑尺的正弦绕组中,施加频率为f(一般为210 kHz)的交变电流,定尺绕组感应出频率为f的感应电势。感应电势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。当两绕组同向对齐时,滑尺
12、绕组磁通全部耦合于定尺绕组,所以其感应电势为正向最大。移动1/4节距后,两绕组磁通没有耦合,即耦合磁通量为零。当再移动1/4节距、两绕组反向时,感应电势负向最大。依次类推,每移动一节距,周期性地重复变化一次,其感应电势随位置按余弦规律变化,如图8-12(a)所示。图8-12(8-4)(8-5)(8-6)(8-7)根据对滑尺绕组供电方式的不同及对输出电压检测方式的不同,感应同步器的测量方式有相位和幅值两种工作法。前者是通过检测感应电压的相位来测量位移的,后者是通过检测感应电压的幅值来测量位移的。8.2.3 磁栅式传感器 1磁栅式传感器定义与特点 2磁栅式传感器的结构 3磁栅式传感器的工作原理 4
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