一种适用于服务机器人的液位传感器及其补偿算法的制作方法

本发明属于机器人内部液位检测技术领域，具体涉及一种适用于服务机器人的液位传感器及其补偿算法。

背景技术：

随着技术的不断发展，服务机器人的应用领域也越来越多广泛。其中在一些应用场景内需要机器人搭载少量的液体物质(一般20l以下)，同时液位测量也成了必不可少的一项功能。目前服务机器人中液位测量的方法主要有两种，质量法和开关量法。质量法是对液位+容器进行称重，虽然测量相对成熟，但是对结构要求较高，容器需要在测量方向上无阻尼。否则测量势必会有一些误差。开关量法主要是利用浮子来检测，准确但是非线性，只能对几个点进行检测。

因此，就需要一种稳定性好、准确度高、能够实现线性测量的适用于服务机器人的液位传感器及其补偿算法。

技术实现要素：

本发明针对现有的液位检测器稳定性差、准确度低、不能够线性测量的缺陷，提供一种稳定性好、准确度高、能够实现线性测量的适用于服务机器人的液位传感器及其补偿算法。

本发明的技术方案如下：

本发明所涉及的一种适用于服务机器人的液位传感器，它包括传感器电路板、腔体和特斯拉阀，所述腔体的侧壁上设置有中空管路，所述中空管路的上下入口均与腔体连通，所述中空管路分为上管路、中管路和下管路三段，所述上管路为上流道，所述传感器电路板设置于中管路的侧壁上，所述特斯拉阀设置于下管路内部，所述腔体内盛装液体。

进一步地：所述传感器电路板包括电源单元、主控单元、电容传感单元、加速度传感单元和通讯接口，所述电源单元的输入端与外部电源连接，所述电源单元的输出端与所述主控单元的输入端连接，所述主控单元分别与所述电容传感单元和所述加速度传感单元双向连接，所述主控单元与通讯接口双向连接。

进一步地：所述中管路为玻璃管，所述传感器电路板垂直固定于玻璃管的外壁上。

本发明所述的一种适用于服务机器人的液位传感器的补偿算法，它包括以下步骤：

s1、电容感应单元实时检测腔体内的液体高度；

s2、根据加速度传感单元构建三轴坐标系，加速度传感单元实时检测重力加速度在坐标轴上的三轴加速度分量；

s3、根据当前的三轴加速度分量计算箱体的倾角；

s4、根据所述倾角计算其实际液位。

进一步地：所述液体高度的计算公式为：

式中，ε0为真空的介电常数；

ε为极板间介质的相对介电系数，在空气中，ε＝1；

a为极板的重合面积，m²；

δ为两平行极板间的距离，m。

进一步地：所述实际液位的计算公式为：

l＝l1+(ltanα)/2

l1为当前测得的液位，l为实际的液位。

本发明的有益效果是：

本发明所涉及的一种适用于服务机器人的液位传感器及其补偿算法，首先本专利引入了一种将液位转换为电信号的方案。此方案检测液位是连续性的，并且具有较好的适应性。另外针对液体在机器人运动中的震荡问题，在设计中引入了一种缓冲沟道，可以对震荡进行缓冲，使得测量更稳定。另外为了解决腔体安装结构要求高的问题，设计了一种补偿算法，使得此液位传感器对腔体安装结构的要求降低，保证测量的准确。采用此技术之后，液体腔体的安装结构要求相对宽松，并且还可以保证一个较高的稳定性和准确度。

附图说明

图1为液位传感器结构框图；

图2为液位传感器电气结构框图；

图3为液位传感器补偿示意图；

图中，1为传感器电路板、2为上流道、3为腔体、4为液体、5为玻璃管、6为特斯拉阀。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例1

结合图1说明本实施例，在本实施例中，本实施例所涉及的一种适用于服务机器人的液位传感器，它包括传感器电路板1、腔体3和特斯拉阀6，所述腔体3的侧壁上设置有中空管路，所述中空管路的上下入口均与腔体3连通，所述中空管路分为上管路、中管路和下管路三段，所述上管路为上流道2，所述传感器电路板1设置于中管路的侧壁上，所述特斯拉阀6设置于下管路内部，所述腔体3内盛装液体4。如此设置的目的是：主要利用连通器原理，将腔体2的液体导入一个细长玻璃管(非导电材质)中，再利用电容感应的原理，有液体的介质和无液位的介质的介电常数不同，将检测到的电容的不同转换成不同的液位，实现了将液位信号转换为电信号的过程。为了解决机器人运动中的不稳定，连通器底部设计成特斯拉阀的结构。这样从腔体2流向连通器另一端的液体会受到特斯拉阀的阻碍，使得波动减弱。

实施例2

结合图2和实施例1说明本实施例，在本实施例中，本实施例所涉及的一种适用于服务机器人的液位传感器，所述传感器电路板1包括电源单元、主控单元、电容传感单元、加速度传感单元和通讯接口，所述电源单元的输入端与外部电源连接，所述电源单元的输出端与所述主控单元的输入端连接，所述主控单元分别与所述电容传感单元和所述加速度传感单元双向连接，所述主控单元与通讯接口双向连接。如此设置的目的是：为了使得腔体2的安装具有很大的容差，因为了加速度传感器，通过传感器计算出腔体2的倾角，再通过计算对液位进行补偿。传感器电路板，线路板由电源单元、主控单元、电容传感单元、加速度传感单元和外部接口组成。

实施例3

结合实施例2说明本实施例，在本实施例中，本实施例所涉及的一种适用于服务机器人的液位传感器，所述中管路为玻璃管5，所述传感器电路板1垂直固定于玻璃管5的外壁上。如此设置的目的是：线路板紧贴在玻璃管外壁。液位传感器垂直固定在腔体的外壁。

实施例4

结合图2和实施例1说明本实施例，在本实施例中，本实施例所涉及的一种适用于服务机器人的液位传感器的补偿算法，它包括以下步骤：

s1、电容感应单元实时检测腔体3内的液体高度；

所述液体高度的计算公式为：

式中，ε0为真空的介电常数；

ε为极板间介质的相对介电系数，在空气中，ε＝1；

a为极板的重合面积，m²；

δ为两平行极板间的距离，m；

s2、根据加速度传感单元构建三轴坐标系，加速度传感单元实时检测重力加速度在坐标轴上的三轴加速度分量；加速度传感单元实时检测腔体(3)的三轴加速度；

s3、根据当前的三轴加速度分量计算箱体的倾角；常规默认重力加速度为定值(9.8m/s2)，根据当前的重力加速度在传感器所在三轴坐标系上的分量，计算箱体的倾角；

s4、根据所述倾角计算其实际液位。

这种倾角的补偿有一个限制条件，仅补偿传感器所在面方向的误差。以图示为例，传感器位于w面，腔体在x轴方向有偏差。

倾角的计算：

因为重力加速度一直是垂直向下的，腔体沿x轴偏移后，液位传感器在x轴和z轴会检测到加速度值。这两个值是重力加速度在液位传感器所在坐标系的分量。

通过三角函数可以计算出腔体的沿z轴的倾角。

倾倒方向可以由x轴方向加速度值得正负进行判断。图示中重力加速度在传感器所在坐标轴x方向的分量是负值，而如果倾倒方向相反，则沿传感器所在坐标轴x方向的分量是正值。

所述实际液位的计算公式为：

l＝l1+(ltanα)/2

如果腔体3的倾倒方向相反则：

l＝l1-(ltanα)/2

l1为当前测得的液位，l为实际的液位。

工作过程如下：

腔体2存在液体的情况下，液体通过连通器到达细长玻璃管。由于特斯拉阀的缘由此过程会相对缓和一点。直至腔体2内液体的位置与细长玻璃管中液体的位置一致时，液体不再相互流动。之后液位传感器的电气部分对细长玻璃管中的液位进行检测，并且经过补偿算法之后，得到最终的液位。

液位传感器电气结构框图如图2所示：

除去基本的供电和通讯单元以外，液位传感器包含一个mcu单元(微控制器)、一个电容感应单元和一个加速度传感器单元。

对于液位的检测，电容感应单元包含一个很长的电极板，在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为

式中，ε0——真空的介电常数，ε0＝8.854×10¹²f·m^-1；

ε——极板间介质的相对介电系数，在空气中，ε＝1；

a——极板的重合面积，m²；

δ——两平行极板间的距离，m。

当δ和ε不变的情况下，a改变将导致c改变。而a在此处就是指液位。因此液位的变化可以反映到电容的变化上。再进行简单的校正就可以获得对液位的连续测量。

注：这里跟校正相关的有最大液位长度、电极板宽度、液体类型。

此示例以一种情况说明液位传感器的校正算法。图3中有一个带倾角的腔体2，液位传感器紧贴在腔体2的x面中心。假设此时机器人静止，液位传感器只受到重力加速度的影响。通过计算加速度在xyz三轴上的分量，可以得到腔体2的倾角α。假设此时测得的液位为l1，则实际的液位为：

l1＝l1+(ltanα)/2

如果腔体2的倾倒方向相反则：

l1＝l1-(ltanα)/2

则腔体2的安装可以不受x反向倾角的影响。同理如果液位传感器放于其他面的中心，则可以校正其方向上的安装偏差。