角度傳感器

角度傳感器簡(jiǎn)介

　　角度傳感器，顧名思義，是用來(lái)檢測(cè)角度的。它的身體中有一個(gè)孔，可以配合樂(lè)高的軸。當(dāng)連結(jié)到RCX上時(shí)，軸每轉(zhuǎn)過(guò)1/16圈，角度傳感器就會(huì)計(jì)數(shù)一次。往一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，計(jì)數(shù)增加，轉(zhuǎn)動(dòng)方向改變時(shí)，計(jì)數(shù)減少。計(jì)數(shù)與角度傳感器的初始位置有關(guān)。當(dāng)初始化角度傳感器時(shí)，它的計(jì)數(shù)值被設(shè)置為0，如果需要，你可以用編程把它重新復(fù)位。

　　概述

　　你可以很容易的測(cè)出位置和速度。當(dāng)在機(jī)器人身上連接上輪子（或通過(guò)齒輪傳動(dòng)來(lái)移動(dòng)機(jī)器人）時(shí)，可以依據(jù)旋轉(zhuǎn)的角度和輪子圓周數(shù)來(lái)推斷機(jī)器人移動(dòng)的距離。然后就可以把距離轉(zhuǎn)換成速度，你也可以用它除以所用時(shí)間。實(shí)際上，計(jì)算距離的基本方程式為：距離=速度×時(shí)間

　　由此可以得到：速度=距離/時(shí)間

角度傳感器百科

　　角度傳感器，顧名思義，是用來(lái)檢測(cè)角度的。它的身體中有一個(gè)孔，可以配合樂(lè)高的軸。當(dāng)連結(jié)到RCX上時(shí)，軸每轉(zhuǎn)過(guò)1/16圈，角度傳感器就會(huì)計(jì)數(shù)一次。往一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，計(jì)數(shù)增加，轉(zhuǎn)動(dòng)方向改變時(shí)，計(jì)數(shù)減少。計(jì)數(shù)與角度傳感器的初始位置有關(guān)。當(dāng)初始化角度傳感器時(shí)，它的計(jì)數(shù)值被設(shè)置為0，如果需要，你可以用編程把它重新復(fù)位。

　　概述

　　你可以很容易的測(cè)出位置和速度。當(dāng)在機(jī)器人身上連接上輪子（或通過(guò)齒輪傳動(dòng)來(lái)移動(dòng)機(jī)器人）時(shí)，可以依據(jù)旋轉(zhuǎn)的角度和輪子圓周數(shù)來(lái)推斷機(jī)器人移動(dòng)的距離。然后就可以把距離轉(zhuǎn)換成速度，你也可以用它除以所用時(shí)間。實(shí)際上，計(jì)算距離的基本方程式為：距離=速度×時(shí)間

　　由此可以得到：速度=距離/時(shí)間

　　舉例

　　如果把角度傳感器連接到馬達(dá)和輪子之間的任何一根傳動(dòng)軸上，必須將正確的傳動(dòng)比算入所讀的數(shù)據(jù)。舉一個(gè)有關(guān)計(jì)算的例子。在你的機(jī)器人身上，馬達(dá)以3:1的傳動(dòng)比與主輪連接。角度傳感器直接連接在馬達(dá)上。所以它與主動(dòng)輪的傳動(dòng)比也是3:1。也就是說(shuō)，角度傳感器轉(zhuǎn)三周，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)一周。角度傳感器每旋轉(zhuǎn)一周計(jì)16個(gè)單位，所以16*3=48個(gè)增量相當(dāng)于主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)一周。我們需要知道齒輪的圓周來(lái)計(jì)算行進(jìn)距離。幸運(yùn)地是，每一個(gè)LEGO齒輪的輪胎上面都會(huì)標(biāo)有自身的直徑。我們選擇了體積最大的有軸的輪子，直徑是81.6CM（樂(lè)高使用的是公制單位），因此它的周長(zhǎng)是81.6×π=81.6×3.14≈256.22CM。已知量都有了：齒輪的運(yùn)行距離由48除角度所記錄的增量然后再乘以256。我們總結(jié)一下。稱R為角度傳感器的分辨率（每旋轉(zhuǎn)一周計(jì)數(shù)值），G是角度傳感器和齒輪之間的傳動(dòng)比率。我們定義I為輪子旋轉(zhuǎn)一周角度傳感器的增量。即：I=G×R

　　在例子中，G為3，對(duì)于樂(lè)高角度傳感器來(lái)說(shuō)，R一直為16.因此，我們可以得到：I=3×16=48

　　每旋轉(zhuǎn)一次，齒輪所經(jīng)過(guò)的距離正是它的周長(zhǎng)C，應(yīng)用這個(gè)方程式，利用其直徑，你可以得出這個(gè)結(jié)論。C=D×π

　　在我們的例子中：C=81.6×3.14=256.22

　　最后一步是將傳感器所記錄的數(shù)據(jù)-S轉(zhuǎn)換成輪子運(yùn)動(dòng)的距離-T，使用下面等式：T=S×C/I

　　如果光電傳感器讀取的數(shù)值為296，你可以計(jì)算出相應(yīng)的距離：T=296×256.22/48=1580 距離（T）的單位與輪子直徑單位是相同的。

　　無(wú)接觸角度傳感器無(wú)觸點(diǎn)角度傳感器，又稱無(wú)接觸電位器，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備、工程機(jī)械、紡織機(jī)械、造紙印刷機(jī)械、石化設(shè)備、國(guó)防工業(yè)等自動(dòng)控制設(shè)備的水平和旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量，也適用于拉絲機(jī)等作張力傳感器。

　　方位角度傳感器

　　方位角又稱地平經(jīng)度，是在平面上量度物體之間的角度差的方法之一。傳感器測(cè)量方位角是從某點(diǎn)的指北方向線起，依順時(shí)針?lè)较虻侥繕?biāo)方向線之間的水平夾角，是一種兩面角，即午圈所在的平面與通過(guò)天體所在的地平經(jīng)圈平面的夾角，以午圈所在的平面為起始面，按順時(shí)針?lè)较蚨攘俊７轿坏亩攘恳嗫稍诘仄饺ι线M(jìn)行，以南點(diǎn)為起算點(diǎn)，由南點(diǎn)開(kāi)始按順時(shí)針?lè)较蛴?jì)量。方位的大小變化范圍為0°～360°，南點(diǎn)為0°，西點(diǎn)為90°，北點(diǎn)為180°，東點(diǎn)為270°。上述這種方位度量是在天文學(xué)中所用的方法。

　　方位角傳感器在跟隨著軍事技術(shù)的發(fā)展，有著高科技作戰(zhàn)的性能。傳感器測(cè)試系統(tǒng)的信息化是實(shí)現(xiàn)中國(guó)軍隊(duì)裝備現(xiàn)代化建設(shè)主要途徑，當(dāng)務(wù)之急應(yīng)該用高新技術(shù)提升老裝備的性能。這既是提升現(xiàn)有武器裝備的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，又是最大限度地發(fā)揮現(xiàn)有裝備整體作戰(zhàn)效能的一個(gè)重要因素。我國(guó)現(xiàn)役的炮塔方位角系統(tǒng)中．老型號(hào)較多，大部分沒(méi)有配備自動(dòng)檢測(cè)和錄取設(shè)備。炮塔方位角系統(tǒng)的各種參數(shù)的計(jì)算、數(shù)據(jù)的處理和上報(bào)大多數(shù)由人工進(jìn)行，難以勝任復(fù)雜環(huán)境下快速、準(zhǔn)確采集。為適應(yīng)現(xiàn)代化炮塔方位角系統(tǒng)的要求，必須具有一套自動(dòng)采集和分析能力的完整測(cè)試系統(tǒng)。

　　應(yīng)用

　　在程序不僅僅會(huì)用到乘法和除法的數(shù)學(xué)運(yùn)算，還有更多的需要多留心（有關(guān)內(nèi)容我們將在第12章進(jìn)行進(jìn)一步的討論）。

　　使用角度傳感器來(lái)控制你的輪子可以間接的發(fā)現(xiàn)障礙物。原理非常簡(jiǎn)單：如果馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，而齒輪不轉(zhuǎn)，說(shuō)明你的機(jī)器已經(jīng)被障礙物給擋住了。此技術(shù)使用起來(lái)非常簡(jiǎn)單，而且非常有效；唯一要求就是運(yùn)動(dòng)的輪子不能在地板上打滑（或者說(shuō)打滑次數(shù)太多），否則你將無(wú)法檢測(cè)到障礙物。如果是一個(gè)空轉(zhuǎn)的齒輪連接到馬達(dá)上就可以避免這個(gè)問(wèn)題，這個(gè)輪子不是由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)而是通過(guò)裝置的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)它：在驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，如果惰輪停止了，說(shuō)明你碰到障礙物了。

　　在許多情況下角度傳感器是非常有用的：控制手臂，頭部和其它可移動(dòng)部位的位置。值的注意的是，當(dāng)運(yùn)行速度太慢或太快時(shí)，RCX在精確的檢測(cè)和計(jì)數(shù)方面會(huì)受到影響。事實(shí)上，問(wèn)題并不是出在RCX身上，而是它的操作系統(tǒng)，如果速度超出了其指定范圍，RCX就會(huì)丟失一些數(shù)據(jù)。Steve Baker用實(shí)驗(yàn)證明過(guò)，轉(zhuǎn)速在每分鐘50到300轉(zhuǎn)之間是一個(gè)比較合適的范圍，在此之內(nèi)不會(huì)有數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題。然而，在低于12rpm或超過(guò)1400rpm的范圍內(nèi)，就會(huì)有部分?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)丟失的問(wèn)題。而在12rpm至50rpm或者300rpm至1400rpm的范圍內(nèi)時(shí)，RCX也偶會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題。

　　角度傳感器在軍事上的應(yīng)用

　　大家熟知的火炮是利用火藥燃?xì)鈮毫Φ饶茉磼伾鋸椡?，口徑等于和大?0毫米的身管射擊武器?；鹋谕ǔＳ膳谏砗团诩軆纱蟛糠纸M成。早在1332年，中國(guó)的元朝就在部隊(duì)中裝備了最早的金屬身管火炮：青銅火銃?；鹋谕ǔＳ膳谏砗团诩軆纱蟛糠纸M成?；鹋谏鋼魰r(shí)對(duì)炮床傾角的要求很高，利用角度傳感器設(shè)計(jì)的數(shù)字式象限儀，可明顯提高校正炮床的速度，降低操作難度。

　　角度傳感器是作為炮彈發(fā)射的準(zhǔn)確性，穩(wěn)定性提供最大的幫助。大家都知道火炮身管用來(lái)賦予彈丸初速和飛行方向，炮尾用來(lái)裝填炮彈，炮閂用以關(guān)閉炮膛，擊發(fā)炮彈。如今炮架由反后坐裝置、方向機(jī)、高低機(jī)、瞄準(zhǔn)裝置、大架和運(yùn)動(dòng)體，角度傳感器等組成，而反后坐裝置用以保證火炮發(fā)射炮彈后的復(fù)位，方向機(jī)和高低機(jī)用來(lái)保證火炮發(fā)射炮彈后復(fù)位，方向機(jī)和高低機(jī)用來(lái)操縱炮身變換方向和高低，瞄準(zhǔn)裝置由角度傳感器，瞄準(zhǔn)具和瞄準(zhǔn)鏡組成，用以裝定火炮射擊數(shù)據(jù)，實(shí)施瞄準(zhǔn)射擊，大架和運(yùn)動(dòng)體用于射擊時(shí)支撐火炮，行軍時(shí)作為炮車。

　　應(yīng)用場(chǎng)合：

　　系列傾角，角度傳感器，距離傳感器，加速度傳感器，以及測(cè)量方位用的數(shù)字羅盤(pán)，電子羅盤(pán)和陀螺儀已經(jīng)廣泛的應(yīng)用應(yīng)用于石油，煤炭，鋼鐵，船舶，隧道，醫(yī)療設(shè)備，大壩，機(jī)械，物探儀器，地質(zhì)，巖土，石油，礦山，管道，測(cè)斜導(dǎo)管，鐵路、港口、水利、高層建筑，墻洞，礦井、隧道、船塢、抗滑樁和板樁，煤礦，動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)，地質(zhì)，衛(wèi)星GPS系統(tǒng)，風(fēng)水，越野車，航海，實(shí)驗(yàn)儀器，數(shù)字水平儀，醫(yī)療，機(jī)械調(diào)平，角度測(cè)量和監(jiān)視，汽車，起重機(jī)械運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，康復(fù)系統(tǒng)，生物工程系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實(shí)、現(xiàn)實(shí)放大，體育，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，人體姿態(tài)測(cè)量工業(yè)機(jī)械，摩托車陀螺儀，光纖，制導(dǎo)，平衡，導(dǎo)向，方向測(cè)量，動(dòng)態(tài)跟蹤，捷聯(lián)，慣性，導(dǎo)航，方位角，角速度，速率，機(jī)械，爆轉(zhuǎn)，測(cè)量等行業(yè)。

　　典型應(yīng)用場(chǎng)合：

　　- 地理： 山體滑坡，雪崩。

　　- 民用： 大壩，建筑，橋梁，玩具，報(bào)警，運(yùn)輸

　　- 工業(yè)：吊車，吊架，收割機(jī)，起重機(jī)，稱重系統(tǒng)的傾斜補(bǔ)償，瀝青機(jī)．鋪路機(jī)等。

　　- 火車：高速列車轉(zhuǎn)向架和客車車廂的傾斜測(cè)量

　　- 海事：縱傾和橫滾控制，油輪控制，天線位置控制。

　　- 鉆井：精確鉆井傾斜控制。

　　- 機(jī)械：傾斜控制，大型機(jī)械對(duì)準(zhǔn)控制，彎曲控制，起重機(jī)

　　- 軍用：火炮和雷達(dá)調(diào)整，初始位置控制，導(dǎo)航系統(tǒng)，軍用著陸平臺(tái)控制。

　　角度傳感器原理

　　一旦我們將角度傳感器連接在機(jī)器人上時(shí)，我們便可以輕松根據(jù)角度傳感器檢測(cè)到的角度來(lái)計(jì)算其移動(dòng)的距離（距離=角度*輪子周長(zhǎng)/2π），在得知其行走時(shí)間的前提下也可以計(jì)算出其平均速度（速度=距離/時(shí)間）。

　　一旦我們把角度傳感器連接在機(jī)器人馬達(dá)與輪子之間的任何一根傳動(dòng)軸上時(shí)，假設(shè)馬達(dá)與主輪連接的傳動(dòng)比為3:1，則角度傳感器與主輪的傳動(dòng)比也為3:1，即角度傳感器計(jì)數(shù)16*3=48次時(shí)，主輪轉(zhuǎn)一圈，假設(shè)角度傳感器計(jì)數(shù)x次，則主輪旋轉(zhuǎn)角度為2π*x/48，機(jī)器人行走距離為齒輪圓周長(zhǎng)*x/48，便也可以根據(jù)其時(shí)間計(jì)算其平均行走速度了。角度傳感器在日益發(fā)展的機(jī)器人領(lǐng)域真可謂是發(fā)揮了他巨大的作用呀~~

　　三、應(yīng)用

　　在軍事領(lǐng)域，角度傳感器也大大提高了炮彈發(fā)射的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，如今的炮架主要由反后坐裝置、方向機(jī)、高低機(jī)、瞄準(zhǔn)裝置、大架、運(yùn)動(dòng)體等構(gòu)成，其中，方向機(jī)和高低機(jī)主要用于操縱炮身的方向和高低;瞄準(zhǔn)裝置由角度傳感器、瞄準(zhǔn)具和瞄準(zhǔn)鏡構(gòu)成，主要用于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確的定位（請(qǐng)自行腦補(bǔ)如果沒(méi)有角度傳感器，僅僅依靠人力對(duì)方向機(jī)和高低機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)定位目標(biāo)的畫(huà)面，pong一聲，塵土飛揚(yáng)，可是。。。并沒(méi)有打到目標(biāo)。。。笑哭~）

　　除提高炮彈發(fā)射準(zhǔn)確率外，角度傳感器在鉆井傾斜控制的精確度、稱重系統(tǒng)的傾斜補(bǔ)償、天線位置控制、軍用著陸平臺(tái)控制等多方面都有著極其重要的應(yīng)用，尤其是在機(jī)器人日益發(fā)展的今天，角度傳感器又將大顯身手。

　　選擇角度傳感器的四個(gè)方法

　　角度傳感器，在實(shí)際操作中應(yīng)用是比較廣泛的，能夠適用不同行業(yè)不同領(lǐng)域各種環(huán)境的需要。但為了在測(cè)量過(guò)程中減小誤差的出現(xiàn)，就需要在選擇質(zhì)量好的角度傳感器。特別是對(duì)于新手而言，該怎么樣判斷角度傳感器的好壞呢？

　　1、靈敏度的選擇通常，在角度傳感器的線性范圍內(nèi)，希望角度傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大，有利于信號(hào)處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測(cè)量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測(cè)量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡員減少?gòu)耐饨缫氲膹S擾信號(hào)。傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測(cè)量是單向量，而且對(duì)其方向性要求較高，則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測(cè)量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。

　　2、頻率響應(yīng)特性角度傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有—定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測(cè)信號(hào)的頻率較低。在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)（穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等）響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過(guò)火的誤差。

　　3、線性范圍角度傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測(cè)量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對(duì)的線性，其線性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求測(cè)量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會(huì)給測(cè)量帶來(lái)極大的方便。

　　4、穩(wěn)定性傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。另外，在選擇角度傳感器之前，應(yīng)對(duì)其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧瑴p小環(huán)境的影響。