賴(lài)于樹(shù) 郭 鑫 向利平 余 波

(重慶三峽學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，重慶 萬(wàn)州 404000)

0 引言

實(shí)時(shí)方向隨動(dòng)控制系統(tǒng)在汽車(chē)燈光方向控制、智能輪椅和雷達(dá)天線等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前，基于磁阻傳感器，利用地磁場(chǎng)探測(cè)技術(shù)測(cè)量方向角已有成熟的解決方案［1］。本文將地磁探測(cè)技術(shù)與加速度測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，提出了一種實(shí)時(shí)方向隨動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可應(yīng)用于地質(zhì)監(jiān)測(cè)、車(chē)載雷達(dá)、機(jī)器人以及實(shí)驗(yàn)儀器等醫(yī)療器械等領(lǐng)域的實(shí)時(shí)方向控制。測(cè)量分析表明，該系統(tǒng)可以較好地實(shí)現(xiàn)移動(dòng)載體的實(shí)時(shí)方向隨動(dòng)控制。

1 實(shí)時(shí)方向隨動(dòng)原理

1.1 磁阻傳感器測(cè)量原理

基于某些金屬的各向異性磁電阻效應(yīng)，設(shè)計(jì)了磁阻傳感器。各向異性磁電阻效應(yīng)是指對(duì)于強(qiáng)磁性金屬(鐵、鈷、鎳等及其合金)，當(dāng)外加磁場(chǎng)平行于磁場(chǎng)內(nèi)部磁化方向時(shí)，阻值不變;若外界磁場(chǎng)方向偏離時(shí)，則其阻值減小。如果把這類(lèi)金屬做成薄膜帶狀導(dǎo)線，當(dāng)電流通過(guò)時(shí)，其阻值大小隨內(nèi)外兩磁場(chǎng)的合成磁化方向與電流流向的相對(duì)關(guān)系發(fā)生變化，趨于同向時(shí)阻值增大，背向時(shí)則阻值減小［2－5］。

地球磁場(chǎng)的強(qiáng)度大約為0.05～0.06 mT，現(xiàn)有的磁阻傳感器可以很好地測(cè)量地磁場(chǎng)范圍內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。但在實(shí)際應(yīng)用中，磁阻傳感器一般不在水平面上工作。磁傳感器姿態(tài)圖如圖1所示。

圖1 磁傳感器姿態(tài)圖Fig.1 Attitude diagram of the magnetoresistive sensor

當(dāng)磁阻傳感器偏離水平面一定角度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較大的傾角誤差。為了確定此時(shí)的方向偏角，就需要測(cè)量地磁場(chǎng)在空間三個(gè)軸上的分量磁場(chǎng)大小HX、HY、HZ，并采用加速度傳感器測(cè)量俯仰角φ和橫滾角θ，以補(bǔ)償傾角誤差。

在測(cè)得 HX、HY、HZ、φ、θ后，將這些數(shù)據(jù)代入式(1)與式(2)，可得到磁場(chǎng)強(qiáng)度在水平面上的分量HX、HY。

磁阻傳感器方向和地磁北極之間的夾角為α，其表達(dá)式為:

考慮到正切函數(shù)的周期為180°，為了保證數(shù)據(jù)的有效性，可將方向角α按條件分段表示，由式(4)即可轉(zhuǎn)換得到 0°～360°范圍內(nèi)的方向角［6－8］。

1.2 實(shí)時(shí)方向隨動(dòng)原理

基于磁阻傳感器的實(shí)時(shí)方向隨動(dòng)技術(shù)是通過(guò)磁阻傳感器和加速度傳感器相結(jié)合來(lái)測(cè)量移動(dòng)載體方向角，并可根據(jù)設(shè)定方向或跟蹤方向隨時(shí)調(diào)整載體的運(yùn)動(dòng)方向。磁阻傳感器體積小、功耗低、易于安裝，且溫度特性好、實(shí)時(shí)性和抗干擾能力強(qiáng)，誤差不隨時(shí)間積累。因此，在實(shí)時(shí)方向隨動(dòng)系統(tǒng)中采用磁阻傳感器具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

本文提出的實(shí)時(shí)方向隨動(dòng)系統(tǒng)采用兩個(gè)三軸磁阻傳感器模塊與一個(gè)加速度傳感器模塊相結(jié)合，在測(cè)量時(shí)采用角度差值法。該方法能抵消隨著測(cè)量角的增大而帶來(lái)的誤差。測(cè)量時(shí)，首先由加速度傳感器測(cè)得俯仰角φ和橫滾角θ，由磁阻傳感器A和B各自測(cè)得三個(gè)軸上的分量磁場(chǎng)HX、HY、HZ;然后根據(jù)測(cè)量與計(jì)算原理，分別求出磁阻傳感器A和B水平面的方向角αA和αB(αA和αB分別為磁阻傳感器A、B與地磁北之間的夾角)。

對(duì)回歸方程偏導(dǎo)求解，可得出香辣藕片的最佳工藝條件：硬化溫度為31.23 ℃，浸泡時(shí)間為2.16 h，硬化劑濃度為1.15%。根據(jù)實(shí)際操作情況修正為：硬化溫度31 ℃，硬化劑濃度1.1%，浸泡時(shí)間2 h，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[24]。在此條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得到香辣藕片的硬度為701.36，與預(yù)測(cè)值707.78基本一致，相對(duì)誤差為0.91%，而感官評(píng)分此時(shí)達(dá)到92.60分。綜上，說(shuō)明所得模型與實(shí)際情況擬合程度較好，能夠反映硬化溫度、浸泡時(shí)間和產(chǎn)品硬度以及感官評(píng)分之間的關(guān)系，可采用該模型對(duì)香辣藕片的品質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

系統(tǒng)測(cè)量方法示意圖如圖2所示。需要識(shí)別或跟蹤的方向角α可通過(guò)兩個(gè)磁阻傳感器的方向角相減得到，即 α=αB－αA。

圖2 系統(tǒng)測(cè)量方法示意圖Fig.2 Measuring method of the system

2 實(shí)時(shí)方向隨動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

實(shí)時(shí)方向隨動(dòng)系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 實(shí)時(shí)方向隨動(dòng)系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of the real-time direction servo system

系統(tǒng)主要由加速度傳感器模塊、磁阻傳感器模塊、微處理器模塊(CPU)和液晶顯示模塊組成。系統(tǒng)以微處理器模塊為核心，將來(lái)自磁阻傳感器模塊和加速度傳感器模塊的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行各種分析處理，并計(jì)算出所需識(shí)別的方向角值。磁阻傳感器模塊將采集的地磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，同時(shí)對(duì)微弱的電磁信號(hào)進(jìn)行放大濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后以數(shù)字信號(hào)輸入到CPU。加速度傳感器模塊測(cè)量俯仰角φ和橫滾角θ，以補(bǔ)償傾角誤差。液晶顯示模塊起到顯示作用，可直觀地顯示出方向差角α及各種參數(shù)與信息。

此外，在主控芯片的選擇方面，需要考慮數(shù)據(jù)采集及A/D轉(zhuǎn)換任務(wù)重等因素，選用集成多個(gè)定時(shí)器單元和A/D單元的芯片，并滿(mǎn)足低功耗設(shè)計(jì)需求。在供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面，需要考慮電磁干擾等問(wèn)題，即通過(guò)合理布局與優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小電源對(duì)測(cè)量系統(tǒng)帶來(lái)的干擾。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理算法是提高系統(tǒng)測(cè)量精度、確保實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵。本系統(tǒng)的軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)，并采用“標(biāo)志法”來(lái)避免程序跑飛，即在執(zhí)行某一模塊時(shí)，為即將進(jìn)入的下一模塊設(shè)置一個(gè)標(biāo)志碼。系統(tǒng)進(jìn)入該模塊后再檢查這一標(biāo)志碼。系統(tǒng)如正常則執(zhí)行，反之則進(jìn)入錯(cuò)誤處理程序。

程序總體結(jié)構(gòu)分為系統(tǒng)主程序和各功能模塊子程序兩部分。其中主程序負(fù)責(zé)有效地管理系統(tǒng)的軟硬件資源，完成對(duì)子程序的及時(shí)響應(yīng)和調(diào)用。主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Main flowchart of process

在具體算法設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要重點(diǎn)考慮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、干擾性、同步性、低功耗和信號(hào)抖動(dòng)性等問(wèn)題。程序首先完成初始化任務(wù)，主要包括系統(tǒng)存儲(chǔ)器的選擇、時(shí)鐘的選擇、管腳的分配、中斷優(yōu)先級(jí)、SPI同步串口初始化、中斷模式、A/D的配置、定時(shí)器時(shí)鐘和工作方式的選定等。由于磁阻傳感器輸出的信號(hào)抖動(dòng)較大，為提高系統(tǒng)的抗干擾性，獲得較為穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理算法上采用了多點(diǎn)采集求平均法，并運(yùn)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的循環(huán)鏈表。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 傳感器的選擇

系統(tǒng)采用HMC5883三軸磁阻傳感器來(lái)測(cè)量空間三個(gè)正交方向(HX、HY、HZ)的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小，磁場(chǎng)測(cè)量范圍為10－6～0.6 mT。以此為核心組成的磁阻傳感器模塊自帶有放大器、驅(qū)動(dòng)器、偏置消除單元、12 bit ADC轉(zhuǎn)換器和1個(gè)I2C系列總線接口。

加速度傳感器選用ST公司的LIS3LV02DQ微加速度傳感器。該傳感器帶寬可調(diào)，具有方向檢測(cè)功能，12 bit/16 bit ADC轉(zhuǎn)換器以及SPI/I2C標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口。該傳感器是一個(gè)量程為±2 g或±6 g的三軸低電壓線性加速度傳感器，由它組成的傳感器模塊具有尺寸小、功耗小以及噪聲低等特點(diǎn)。

3.2 微處理器部分

系統(tǒng)選擇DSP TMS320F2812作為核心控制芯片。該芯片是一款高性能的數(shù)字信號(hào)處理器，它具有較高的頻率和豐富的外圍接口，尤其適用于電機(jī)系統(tǒng)控制。TMS320F2812主頻可達(dá)150 MHz，具有低功耗特性(核電壓為1.8 V、I/O 電壓為3.3 V);具有128 kB ×16位片上Flash、18 kB×16位片上 SRAM、4 kB×16位片上ROM。在用于電機(jī)控制的外設(shè)方面，配置有2個(gè)事件管理器、多種標(biāo)準(zhǔn)串口外設(shè)、1個(gè)SPI同步串口、2個(gè)UART異步串口、1個(gè)增強(qiáng)型 CAN總線接口、1個(gè)McBSP同步串口;16通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器;56個(gè)獨(dú)立可編程、復(fù)用型、通用I/O口。在實(shí)際應(yīng)用中，由于TMS320F2812沒(méi)有I2C接口，所以與磁阻傳感器和加速度模塊接口采用的是模擬I2C的形式。

3.3 方向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依照實(shí)時(shí)方向隨動(dòng)系統(tǒng)的測(cè)量原理，將磁阻傳感器A安裝在輪椅底座上，這時(shí)我們認(rèn)為磁阻傳感器A是水平放置的。磁阻傳感器B和加速度傳感器相對(duì)固定后，被安裝在輪椅乘坐者所戴的頭盔上，以測(cè)量人臉偏轉(zhuǎn)角度。如果磁阻傳感器A的方向始終都是輪椅正前方，則它在水平面上是變化的。當(dāng)磁阻傳感器B與輪椅正前方成30°時(shí)，輪椅需要移動(dòng)30°，基準(zhǔn)方向就是此時(shí)的輪椅正前角度。

本系統(tǒng)軟件是在DSP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS3.3上開(kāi)發(fā)的。該集成開(kāi)發(fā)環(huán)境集程序的編輯、編譯、鏈接、調(diào)試以及仿真等功能于一體，具有友好的交互界面，使得用戶(hù)的編程、調(diào)試工作更加方便且高效。實(shí)時(shí)方向隨動(dòng)過(guò)程是一個(gè)閉環(huán)過(guò)程，并按一定流程加以實(shí)現(xiàn)。智能輪椅的方向隨動(dòng)程序流程如圖5所示。

圖5 方向隨動(dòng)程序流程圖Fig.5 Flowchart of the dynamic direction program

通過(guò)該程序，計(jì)算人頭部的磁阻傳感器和輪椅上的磁阻傳感器之間的水平角度差，即輪椅轉(zhuǎn)向角，從而產(chǎn)生不同的PWM控制信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)輪椅轉(zhuǎn)向。精度控制采用了閉環(huán)PID控制系統(tǒng)，閉環(huán)系統(tǒng)中采用霍爾開(kāi)關(guān)，采集電機(jī)的轉(zhuǎn)速并反饋回DSP芯片。

電機(jī)的控制采用了兩路電機(jī)雙PWM控制。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片為L(zhǎng)298芯片。L298內(nèi)部集成了橋式驅(qū)動(dòng)電路，橋電壓可達(dá)48 V。本系統(tǒng)采用了24 V供電。采用兩路電機(jī)雙PWM控制的優(yōu)點(diǎn)在于可以使輪椅的運(yùn)動(dòng)更加靈活。

3.4 測(cè)試數(shù)據(jù)及其誤差分析

在測(cè)試分析數(shù)據(jù)時(shí)，以室外環(huán)境為測(cè)量環(huán)境，選擇多個(gè)不同的地點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。方向精度的測(cè)量在0°～360°之間進(jìn)行。測(cè)量時(shí)，兩組測(cè)量數(shù)據(jù)之間的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在1 s以?xún)?nèi)，將其期望方向角差值(輪椅轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)際方向角)與實(shí)際測(cè)量方向角差值(α=αB－αA)一并列表記錄，并加以比較分析。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表Tab.1 The practical measured data

從表1可以看出，即使在短時(shí)大轉(zhuǎn)向的情況下，轉(zhuǎn)向控制誤差也沒(méi)有超過(guò)±5°。由表1測(cè)得的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出轉(zhuǎn)向控制誤差的平均值為3.0°，無(wú)論是最大誤差還是平均誤差均能夠滿(mǎn)足智能輪椅方向控制的工作精度要求。實(shí)時(shí)方向的測(cè)量數(shù)據(jù)受到諸多因素的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)難免存在系統(tǒng)誤差。試驗(yàn)中系統(tǒng)誤差的來(lái)源主要有以下兩個(gè)方面。

①傳感器本身誤差:磁阻傳感器三軸的靈敏度不一致引起的靈敏度誤差、三軸磁阻傳感器在制造時(shí)不能保證正交而產(chǎn)生的正交誤差、傳感器的零點(diǎn)不為零時(shí)所引起的零位誤差。

②測(cè)量環(huán)境誤差:測(cè)量環(huán)境誤差是磁阻傳感器受周?chē)蔫F磁材料影響引起的誤差，這個(gè)誤差是比較明顯的，也是不容易消除的。鐵磁材料的影響分為硬鐵影響和軟鐵影響兩類(lèi)。硬鐵影響源于永久磁鐵和磁化的鋼鐵對(duì)磁場(chǎng)引起的變化，如電動(dòng)機(jī)、電源、手機(jī)等，這種影響對(duì)磁場(chǎng)分量來(lái)說(shuō)是恒定的。軟鐵影響產(chǎn)生于地磁場(chǎng)，這類(lèi)影響往往都比較微弱［9］。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的磁阻傳感器實(shí)時(shí)方向隨動(dòng)系統(tǒng)具有體積小、成本低、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高以及易于安裝到移動(dòng)載體上等特點(diǎn)。通過(guò)分析智能輪椅上的應(yīng)用實(shí)例可知，本系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足對(duì)運(yùn)動(dòng)載體進(jìn)行實(shí)時(shí)方向識(shí)別的要求，適合應(yīng)用于車(chē)載設(shè)備、機(jī)器人、醫(yī)療器械中的方向控制等領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)量數(shù)據(jù)的分析處理十分關(guān)鍵，一個(gè)好的數(shù)據(jù)處理算法可達(dá)到事半功倍的效果。此外，將本方向隨動(dòng)系統(tǒng)與其他方向識(shí)別系統(tǒng)相結(jié)合，形成冗余性互補(bǔ)，可構(gòu)建更可靠、性能更穩(wěn)定的實(shí)時(shí)方向隨動(dòng)系統(tǒng)。

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