一种基于光电检测的球形转子位姿检测装置及其检测方法制造方法及图纸

一种基于光电检测的球形转子位姿检测装置及其检测方法，属于光电检测技术领域，结构上由球形转子、定子、环形发光带、环形硅光电池阵列和弧形硅光电池阵列组成，结构新颖，当球形转子发生偏转时，先通过环形硅光电池阵列输出的短路电流之和计算得到球形转子偏转角Φ，再结合环形硅光电池阵列和弧形硅光电池阵列上共N+4个短路电流输出求解得到球形转子方位角θ，与传统的位姿检测装置相比，本发明专利技术能够较快的准确确定球形关节姿态，结构紧凑，减少了硬件成本实现对球形关节的定位，为其位姿调整、驱动等打下了基础。

A Spherical Rotor Position and Attitude Detection Device Based on Photoelectric Detection and Its Detection Method

A spherical rotor position and attitude detection device based on photoelectric detection and its detection method belong to the field of photoelectric detection technology. The structure is composed of spherical rotor, stator, annular luminous band, annular silicon photovoltaic array and arc silicon photovoltaic array. The structure is novel. When the spherical rotor deflects, the sphere is obtained by calculating the sum of the short-circuit current output by annular silicon photovoltaic array. The deflection angle of the spherical rotor_is calculated by combining the output of N+4 short circuit currents on the annular silicon photocell array and the arc silicon photocell array. Compared with the traditional position and attitude detection device, the method can determine the position of the spherical joint more quickly and accurately with compact structure, reduce the hardware cost, realize the positioning of the spherical joint, adjust its position and position, drive and so on. The foundation is laid.

【技术实现步骤摘要】
一种基于光电检测的球形转子位姿检测装置及其检测方法
本专利技术属于光电检测
，涉及一种球形转子的位姿检测装置及检测方法，特别是涉及一种基于光电检测的球形转子位姿检测装置及其检测方法。
技术介绍
球形转子的位姿检测作为采用此结构不可或缺的反馈控制环节，其位姿检测的准确性、快速性直接影响到整个系统的控制精度，目前采用的光电检测技术主要采用以下两种：(1)在球形转子表面一半涂有高反射率材料，一半涂低反射率材料，同时涂层质量按照一定规律分布，使其旋转轴处于反射率分界面上；(2)在球形转子表面涂有黑白色编码。而上述方法具有一定的局限性，对球形转子的材料或者涂层质量分布有严格要求，检测装置体积过大，结构不紧凑。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述现有技术中存在的不足，提出一种基于光电检测的球形转子位姿检测装置及其检测方法，能够较快的准确确定球形关节姿态，结构紧凑，减少了硬件成本。本专利技术的技术方案：一种基于光电检测的球形转子位姿检测装置，包括球形转子和定子；其特征在于：所述球形转子的赤道处设有环形凹槽，所述环形凹槽内设有环形发光带，所述环形发光带由发光二极管灯带和环形透镜构成，所述发光二极管灯带连接固定在所述环形凹槽的槽底，所述环形透镜设置在所述发光二极管灯带的外部并与所述球形转子的外表面形成光滑的球面，所述定子的内表面上连接设有由若干个硅光电池构成的环形硅光电池阵列，所述环形硅光电池阵列下方连接设有四条由若干个硅光电池构成的弧形硅光电池阵列，所述弧形硅光电池阵列均布设置在所述定子的内表面，并与所述环形硅光电池阵列垂直设置，所述球形转子表面与环形硅光电池阵列、弧形硅光电池阵列间设有间隙。所述定子为空心半球结构，定子底部设有圆形通孔，定子与外部机架固定连接。所述发光二极管灯带(3-1)胶接设置在环形凹槽的槽底，环形透镜(3-2)卡接设置在环形凹槽内并与球形转子表面形成光滑连接。所述弧形硅光电池阵列(6)与环形硅光电池阵列(4)的厚度相同，均镶嵌固定在定子(2)的内壁上。所述定子(2)的内壁与球形转子(1)之间的间隙不大于5mm。一种基于光电检测的球形转子位姿检测方法，其特征在于：检测方法如下：(1)环形硅光电池阵列4是由N个边长为L的正方形硅光电池紧密排列而成，并对硅光电池进行1～N编号，每个硅光电池输出一个短路电流信号；弧形硅光电池阵列共有四段，每隔90°均布在球形转子内壁，每条由M个同样边长为L的硅光电池串联排列，对其I～IV编号，每条输出一个短路电流信号；基于光生伏特效应，硅光电池在光线照射下产生电动势，并外接电路产生短路电流Is，其大小与硅光电池面上的光照度E与感光面积S呈线性关系：Is＝k·E·S(2)当球形转子处于中心位置未发生偏转时，环形发光带与环形硅光电池阵列处于平行状态，环形硅光电池阵列完全接收环形发光带的发射光，从而N块硅光电池全部输出最大短路电流；当球形转子发生偏转时，先通过环形硅光电池阵列输出的短路电流之和计算得到球形转子偏转角Φ，再结合环形硅光电池阵列和弧形硅光电池阵列上共N+4个短路电流输出求解得到球形转子方位角θ，其具体实施步骤为：(2-1)球形转子偏转角Φ的确定环形发光带跟随球形转子沿任意角运动，环形与弧形硅光电池阵列上的光斑面积会发生变化，从而影响输出电流的大小，Sa为N块硅光电池光斑面积之和，偏转角Φ与Sa呈一一对应的关系，环形硅光电池阵列形成半径为r的环带：通过环形硅光电池光斑面积之和Sa可得到球形转子偏转角Φ；(2-2)球形转子方位角θ的确定通过对环形硅光电池阵列与弧形硅光电池阵列共计N+4个短路电流可求解到球形转子方位角θ：首先比较编号I～IV硅光电池阵列短路电流大小确定输出轴偏转区域，再定位出环形硅光电池阵列上光斑的形心位置，获得方位角的精确角度；(3)把球形转子偏转区域主要分为四个区域，通过比较4个弧形硅光电池阵列短路电流大小可判断出球形转子的偏转域，并得到方位角加权系数K；其方位角θ与第i个硅光电池输出电流Ii(i＝1,2,3,…N)的对应关系为：同理，方位角θ与编号为n的硅光电池光斑面积大小Sn(n＝1,2,3,…N)的关系为：通过上述位姿检测方法可以准确的得到偏转角Φ与方位角θ，实现对球形关节的定位，便于其位姿调整和驱动。本专利技术的有益效果为：本专利技术提出的一种基于光电检测的球形转子位姿检测装置及其检测方法，结构上由球形转子、定子、环形发光带、环形硅光电池阵列和弧形硅光电池阵列组成，结构新颖，当球形转子发生偏转时，先通过环形硅光电池阵列输出的短路电流之和计算得到球形转子偏转角Φ，再结合环形硅光电池阵列和弧形硅光电池阵列上共N+4个短路电流输出求解得到球形转子方位角θ，与传统的位姿检测装置相比，本专利技术能够较快的准确确定球形关节姿态，结构紧凑，减少了硬件成本实现对球形关节的定位，为其位姿调整、驱动等打下了基础。附图说明图1是本专利技术的整体结构示意图。图2是本专利技术中定子及定子内部俯视结构示意图。图3是本专利技术中转子和定子局部剖视示意图。图4是本专利技术中正方形硅光电池形状示意图。图5是本专利技术中转子姿态角示意图。图6是本专利技术中发光带与弧形硅光电池阵列位置及面积展开图。图7是本专利技术中发光带与环形硅光电池阵列位置及面积展开图。图8是本专利技术中检测单元与区域分布图。图9是本专利技术中光斑面积示意图。图10是本专利技术中光斑面积示意图。图中：球形转子1、定子2、环形发光带3、环形硅光电池阵列4、硅光电池5、弧形硅光电池阵列6。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明：如图1-10所示，一种基于光电检测的球形转子位姿检测装置，由球形转子1、定子2、环形发光带3、环形硅光电池阵列4和弧形硅光电池阵列5构成。环形发光带3为光发射元件，由均布发光二极管的灯带3-1和环形透镜3-2组成，环形发光带3贴在球形转子1赤道上的环形凹槽内，其外表面与球形转子1外表面形成包络球形表面；硅光电池阵列作为光接收元件，固定面贴于定子2上，其中环形硅光电池阵列4是由N个边长为L的正方形硅光电池5紧密排列而成，并对硅光电池5进行1～N编号，每个硅光电池4输出一个短路电流信号；弧形硅光电池阵列6共有四段，每隔90°均布在球形转子1四周，每条由M个同样边长为L的硅光电池5串联排列于定子2上，对其I～IV编号，每条输出一个短路电流信号。本专利技术检测方法基于光生伏特效应，即硅光电池在光线照射下会产生电动势，并外接电路产生短路电流Is，其大小与硅光电池面上的光照度E与感光面积S呈线性关系：Is＝k·E·S当球形转子处于中心位置未发生偏转时，环形发光带与环形硅光电池阵列处于平行状态，环形硅光电池阵列完全接收环形发光带的发射光，从而N块硅光电池全部输出最大短路电流；当球形转子发生偏转时，先通过环形硅光电池阵列输出的短路电流之和计算得到球形转子偏转角Φ，再结合环形硅光电池阵列和弧形硅光电池阵列上共N+4个短路电流输出求解得到球形转子方位角θ，其具体实施步骤为：(1)球形转子偏转角Φ的确定环形发光带跟随球形转子沿任意角运动，环形与弧形硅光电池阵列上的光斑面积会发生变化，从而影响输出电流的大小。Sa为N块硅光电池光斑面积之和，偏转角Φ与Sa呈一一对应的关系，环形硅光电池阵列形成半径为r的环带：从而通过环形硅光电池光斑面积之和Sa可得到球本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光电检测的球形转子位姿检测装置，包括球形转子(1)和定子(2)；其特征在于：所述球形转子(1)的赤道处设有环形凹槽，所述环形凹槽内设有环形发光带(3)，所述环形发光带(3)由发光二极管灯带(3‑1)和环形透镜(3‑2)构成，所述发光二极管灯带(3‑1)连接固定在所述环形凹槽的槽底，所述环形透镜(3‑2)设置在所述发光二极管灯带(3‑1)的外部并与所述球形转子(1)的外表面形成光滑的球面，所述定子(2)的内表面上连接设有由若干个硅光电池(5)构成的环形硅光电池阵列(4)，所述环形硅光电池阵列(4)下方连接设有四条由若干个硅光电池(5)构成的弧形硅光电池阵列(6)，所述弧形硅光电池阵列(6)均布设置在所述定子(2)的内表面，并与所述环形硅光电池阵列(4)垂直设置，所述球形转子(1)表面与环形硅光电池阵列(1)、弧形硅光电池阵列(6)间设有间隙。

【技术特征摘要】
1.一种基于光电检测的球形转子位姿检测装置，包括球形转子(1)和定子(2)；其特征在于：所述球形转子(1)的赤道处设有环形凹槽，所述环形凹槽内设有环形发光带(3)，所述环形发光带(3)由发光二极管灯带(3-1)和环形透镜(3-2)构成，所述发光二极管灯带(3-1)连接固定在所述环形凹槽的槽底，所述环形透镜(3-2)设置在所述发光二极管灯带(3-1)的外部并与所述球形转子(1)的外表面形成光滑的球面，所述定子(2)的内表面上连接设有由若干个硅光电池(5)构成的环形硅光电池阵列(4)，所述环形硅光电池阵列(4)下方连接设有四条由若干个硅光电池(5)构成的弧形硅光电池阵列(6)，所述弧形硅光电池阵列(6)均布设置在所述定子(2)的内表面，并与所述环形硅光电池阵列(4)垂直设置，所述球形转子(1)表面与环形硅光电池阵列(1)、弧形硅光电池阵列(6)间设有间隙。2.根据权利要求1所述的一种基于光电检测的球形转子位姿检测装置，其特征在于：所述定子(2)为空心半球结构，定子(2)底部设有圆形通孔，定子(2)与外部机架固定连接。3.根据权利要求1所述的一种基于光电检测的球形转子位姿检测装置，其特征在于：所述发光二极管灯带(3-1)胶接设置在环形凹槽的槽底，环形透镜(3-2)卡接设置在环形凹槽内并与球形转子表面形成光滑连接。4.根据权利要求1所述的一种基于光电检测的球形转子位姿检测装置，其特征在于：所述弧形硅光电池阵列(6)与环形硅光电池阵列(4)的厚度相同，均镶嵌固定在定子(2)的内壁上。5.根据权利要求1所述的一种基于光电检测的球形转子位姿检测装置，其特征在于：所述定子(2)的内壁与球形转子(1)之间的间隙不大于5mm。6.一种基于光电检测的球形转子位姿检测方法，其特征在于，使用权利要求1-5任一项所述的基于光电检测的球形转子位姿检测装置，检测方法如下：(1)环形硅光电池阵列4是由N个边长为L的正方形硅光电池(5)紧密排列而成，并对硅光电池(5...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾励，白文鑫，刘文韬，竺志大，张帆，戴敏，杨坚，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32