运动控制系统

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86(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。
• 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.
• 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。
图8-3 摄像头图
8.2 直线位移检测
• 方法： • 一：光栅 •ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
• 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8-4
2．光栅工作原理
• 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 mirror转镜
• 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85(a)中的d—d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d—d 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。
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
• *8.3.1 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
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。 •。
• 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30—300GHz之间的雷达。超声波传感器 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。
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。
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
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、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。
• 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。