[发明专利]一种基于PSD位置传感器的角度测量设备及其测量方法

权利要求书

1.一种基于PSD位置传感器的角度测量设备，其特征在于，包括：PSD位置传感器，承载上述PSD位置传感器移动的导轨，接收上述PSD位置传感器的信息并使测量距离与转换输出电压保持线性关系的非线性补偿电路，连接于上述非线性补偿电路的AD转换器，连接于上述AD转换器的单片机，连接于上述单片机的人机交互组件，连接于上述单片机与导轨之间的步进电机。

2.根据权利要求1所述的一种基于PSD位置传感器的角度测量设备，其特征在于，上述非线性补偿电路组成有：将电流I1和I2转换为电压V1和V2的放大器OP1和OP2，实现加法运算的OP3，实现除法运算的OP4和乘法器M。

3.根据权利要求1所述的一种基于PSD位置传感器的角度测量设备，其特征在于，上述AD转换器为16位A/D转换芯片ADS7805。

4.根据权利要求1所述的一种基于PSD位置传感器的角度测量设备，其特征在于，上述单片机为16位MSP430F169单片机。

5.根据权利要求1所述的一种基于PSD位置传感器的角度测量设备，其特征在于，上述人机交互组件组成有：向单片机输入控制信息的矩阵键盘，接收单片机信息的显示屏。

6.根据权利要求1所述的一种基于PSD位置传感器的角度测量设备，其特征在于，步进电机选用混合式35BYG205型步进电机。

7.根据权利要求1所述的一种基于PSD位置传感器的角度测量方法，其特征在于，

步骤一，单片机主控芯片与各模块完成初始化，扫描矩阵键盘，通过矩阵键盘选定计算模型、设定步进电机的旋转方向、旋转角度、旋转速度以及调用测距模块测量数值次数；

步骤二，设定初始参数后，驱动步进电机通过导轨带动PSD位置传感器移动，当步进电机旋转角度达到设定值后，暂停步进电机，启动PSD位置传感器。PSD位置传感器采集的数据传输给AD转换器得到与被测物体的距离，并将测量数据存储于一个长度固定的数组中，完成一次测量；

步骤三：再次启动步进电机进行第二次测量，直到测量数据个数达到设定值，步进电机停止，完成测量；

步骤四：单片机对采集到的数据组利用最小二乘法进行处理，计算出数据拟合斜率，进而得出最后的角度值，通过显示器显示计算结果。

8.根据权利要求1所述的一种基于PSD位置传感器的角度测量方法，其特征在于，

步骤一，单片机主控芯片与各模块完成初始化，扫描矩阵键盘，通过矩阵键盘选定计算模型、设定步进电机的旋转方向、旋转角度、旋转速度以及调用测距模块测量数值次数；计算模型包括：被测物体与PSD位置传感器的角度大于90°小于180°时的计算模型，被测物体与PSD位置传感器的角度小于90°时的计算模型；

被测物体与PSD位置传感器的角度大于90°小于180°时的计算模型具体包括：建立二维坐标系，在坐标系中将两条直线比作被测角度的两个面，被测物体角度即为两条线的夹角θ，设两条直线与X轴的夹角分别为α与β，直线斜率分别为k1，k2，x1，x2…xn为对应点在X轴上的坐标；将被测物体角度测量先转换为与X轴的夹角测量，即角度α与β的测量；对于角度α与β的测量，通过在X轴上任取一点，测量该点到被测面的距离y和已知X轴上坐标x，可以简单直接地利用比值计算出该角度的正切值，从而得到角度值；为进一步得到更为准确的角度值α与β，不直接计算角度正切值，而是将被测物体角度测量转化为被测面相对于基准面的斜率进行测量；

被测物体与PSD位置传感器的角度小于90°时的计算模型具体包括：建立二维坐标系，直线k1与X轴的夹角为α，直线k2与Y轴的夹角为β，被测物体夹角为θ；对于夹角α的测量，将被测物体角度测量先转换为与X轴的夹角即为夹角α的角度；对于夹角β的测量，沿Y轴正方向，任取一点，通过测量被测面与Y轴的距离y，同时将该Y轴看作为一般二维坐标系中的X轴，通过拟合得出已知直线的斜率，从而计算出夹角β的角度；对于第一象限的测量面斜率k1，沿X轴方向每隔一固定步长测量出与被测面的距离，得到如下的x-y数值表；

测量得到的x-y数值表

根据测量得到的x-y数值表，描绘出二维坐标系中最小二乘法散点及拟合曲线，根据最小二乘原理利用MATLAB拟合出直线方程为：

y＝0.556·x-0.009 (1)

根据最小二乘法数据拟合原理，测量距离y值可表示为：

y_t＝b+kx_t+ε_t，t＝1,2,L,N(2)

式中，xt表示X轴坐标，yt表示对应xt的Y轴坐标，k表示直线斜率，b表示截距，ε₁,ε₂,L,ε_N分别表示其他随机因素对距离值y₁,y₂,L,y_N影响的总和。

设得到的直线方程为：

残差方程为：

根据平方损失函数以及测量值的计算公式为：

对模型一中二维坐标系，根据最小二乘法对测量出的Y轴方向上的距离值进行处理，可计算出两条直线的斜率，根据斜率计算出与x轴的夹角α与β，进而计算得出被测角度，角度计算表示为：

同理对模型二中数学计算模型，角度计算为：