专利名称：多维力传感器的实时动态校正系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及多维力传感器，特别是一种以数字信号处理器(DSP)为核心，具有动态解耦—补偿功能的多维力传感器的实时动态校正系统。
多维力传感器可以同时测量三维空间的多个力和力矩分量，例如，机器人六维腕力传感器、五维指力传感器、风洞多维力天平和火箭发动机推力测量的六分力计等。这些多维力传感器大多采用一体化的弹性体结构，配以多片敏感元件(例如应变片)来实现多方向力学量的测量，从而使得功能强、体积小、安装方便，应用日益广泛。随着机器人运动速度的加快，要求多维力传感器动态响应快，以满足机器人实时控制和一些应用领域的需要。随着科技和生产的发展，动态测试的场合日益增多，要求多维力传感器的动态测试误差小，以便准确、迅速反映被测量的变化。但是，多维力传感器的动态特性中存在两个主要问题(1)传感器的阻尼比过小，固有频率较低，从而动态响应速度慢，到达稳态时间长，造成动态测试误差。(2)由于弹性体设计、制造以及应变片贴片等方面的原因，无法避免传感器各个转换通道之间的相互干扰，从而造成维间耦合。即在某一方向的输出信号中，有其它方向输入非电量的影响。维间耦合表现在静、动态两方面，目前静态线性耦合已基本解决，而动态耦合没有有效的解决办法。
美国、日本等公司以及国内各单位研制的机器人六维腕力传感器等，其产品说明书中均没有给出动态性能指标。国内外已研制出的多维力传感器系统中均无动态特性校正功能(主要内容为动态补偿和动态解耦)。
东南大学黄惟一等人试图通过速度和加速度的测量来消除惯性力对腕力传感器动态特性的影响(八六三智能机器人传感器实验室学术论文年报，第一卷，1993年12月，5～13“提高腕力传感器性能的途径和方法”)。东南大学张庆设计微分器来提高腕力传感器的动态响应速度(传感技术学报，1993，(4)32～35“机器人力微分传感器的研究”)。上述方法存在的问题是(1)需要增加辅助测量设备；(2)易受测量噪声干扰；(3)均未实用化。
合肥工业大学徐科军等人分别采用零极点配置和系统辨识法设计动态补偿环节，又分别采用运放为主的纯硬件和8098单片机为核心的软硬件方法实现动态补偿器，取得一定效果(计量学报，1997，18(2)116～121，“腕力传感器动态补偿研究”；自动化仪表，1997，18(12)5～8，“腕力传感器动态补偿的两种实现方法”)。合肥工业大学徐科军等人提出基于不变性原理的动态解耦方法，并取得仿真结果(应用科学学报，1999，17(1)43～48，“腕力传感器的一种动态解耦方法”)。
国内在多维力传感器动态特性校正方面存在以下问题(1)不变性解耦方法是一种有偏的方法；(2)普通的单片机运算速度慢，不能满足动态校正对实时性的要求；(3)没有提出和研究同时解决动态耦合和动态响应速度慢这两个关键问题的方法和系统。
未见国外发表有关改善多维力传感器动态性能的文献和专利。
本发明的目的是提供以DSP为核心、具有实时动态校正功能的多维力传感器的信号处理系统。本发明可以对多维力传感器的多路电桥输出信号(例如，六维腕力传感器的8路电桥输出信号)进行采样和静态解耦，变成6路信号，再进行动态解耦—补偿，同时解决多维力传感器中存在的动态响应速度慢和维间耦合问题，全面提高多维力传感器的动态品质。当然，也可以单独进行动态补偿或动态解耦。
本发明为了实现发明目的，采用了如下的技术方案。该系统由模拟输入通道、DSP(例如，AD公司的DSP芯片ADSP2181)、模拟输出通道、逻辑控制电路、EPROM、串行接口电路以及相应的软件组成。模拟输入通道由多个(例如，8个)采样/保持器(S/H)、1个模拟多路开关(MUX)、1个放大器(AMP)和模/数转换器(A/D)组成。输出通道由多个数/模转换器(D/A)和多个滤波器(例如，各为6个)组成。逻辑控制电路主要由译码器组成。本发明以ADSP2181 EZ-KITLITE(AD公司为ADSP2181设计的最小系统，其中包括ADSP2181芯片、EPROM、串行接口电路等)为核心，采用动态解耦—补偿算法，实时处理多维力传感器的动态响应信号，既消除或减少多维力传感器各个通道之间的耦合，又提高传感器动态响应的快速性。
多维力传感器的多路输出信号与本发明系统的8个S/H的输入端相连。ADSP2181根据采样频率控制S/H进行采样或保持。MUX对多路信号轮流切换，经AMP放大后，送A/D处理。AMP为A/D提供最佳的输入量程。A/D的状态线BUSY脚与ADSP2181的可编程输入、输出口(PF口)相连，ADSP2181通过查询BUSY脚的状态来决定读数的时间。当ADSP2181采进同一时刻的8路信号后，先进行静态解耦，变成代表三维空间的力和力矩分量Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz，然后进行动态解耦—补偿，其结果由-6个D/A同时输出，滤波电路用来去除D/A转换后的毛刺。逻辑控制电路在ADSP2181的程序控制下，决定A/D和D/A的片选状态。
本发明的优点在于可以同时解决多维力传感器中存在的动态响应速度慢和维间耦合这两个关键问题，还可以方便地实现静态解耦。此外，通过选择相应的算法软件，可以单独进行动态解耦，或单独进行动态补偿，极大提高多维力传感器的动态品质。
下面结合附图和实例对本发明做详细说明。
图1是本发明系统的硬件框图，系统由ADSP2181 EZ-KIT LITE(或ADSP2181、EPROM、串行接口电路等)、模拟输入通道、模拟输出通道和逻辑控制电路组成。
图2是本发明系统的部分硬件原理图，包括8个采样/保持器(S/H)、1个模拟多路开关(MUX)、1个放大器(AMP)、1个模/数转换器(A/D)。
图3是本发明系统的部分硬件原理图，包括ADSP2181 EZ-KIT LITE(图中画的是它的引出脚插座DSP P2和DSP P3，它们引出了ADSP2181 EZ-KIT LITE的100个引脚，包括数据线、控制线和地址线)、6个数/模转换器(D/A)、逻辑控制电路、6个阻容滤波器，以及1个输入信号连接口和一个输出信号连接口。
图4是本发明系统的动态解耦—补偿结构示意图(以双通道系统为例)。图中Y1、Y2为传感器输出信号，L1、L2为经过动态解耦—补偿后的输出信号，D11D22为动态补偿环节，D12、D21为动态解耦环节。
图5是本发明系统的动态解耦—补偿软件流程图。
图6是本发明系统的数据采集软件流程图。
图7是本发明系统的解差分方程软件流程图。
多维力传感器的主要部分是一个结构复杂、巧妙的一体化的弹性体，上面粘贴着多片应变片，它们连接组成多个电桥(例如，8个电桥)。每个电桥的输出信号经过一个放大器放大后输出。多维力传感器的8路输出信号连到本发明系统的8个S/H的输入端，如图2所示。由于动态解耦—补偿要求对多维力传感的输入、输出存储器选择IOMS作为74F138的使能信号。这样，只有在ADSP2181发出外围设备读写指令时，74F138才开始工作，选通相应设备的片选端。74F138的输出中，Y0与A/D的CS脚相连，Y1～Y6分别与6路D/A的CS脚相连。
本发明系统中设计的模拟输出通道是为了观察和验证实时动态校正系统的效果。由于有6路输出，所以，在模拟输出通道中使用6片D/A。D/A选用MAX507ACNG。该芯片数据写入只需100ns，可以同ADSP2181的时序相配合。其数据线D0～D11与ADSP2181数据线的高16位D12～D23相连，片选CS脚与74F138输出相应管脚相连，写信号线WR与ADSP2181的WR相连，控制线LDAC与ADSP2181的可编程输入输出口PF4相连，CLR始终接+5V。
D/A的输出接至一阶阻容滤波电路，对D/A输出信号进行滤波，去除毛刺，如图3所示。D/A输出信号的频率范围作1.5kHz以内，故设计滤波器的截止频率为8kHz，这样只滤去高频分量，而对信号的衰减又很小。
动态解耦—补偿系统软件框图如图4所示。我们共设计了四种解耦—补偿网络，经研究，认为V规范并行解耦—补偿网络(VPDCN)在实用中效果最佳，故本系统采用VPDCN结构进行动态解耦-补偿。系统的采样频率由定时器中断时间决定，一般在20K～25KHz。在ADSP2181上电后，首先对系统状态进行初始化，包括设置输入输出口状态、设置指令执行周期和定时器中断时间等，然后系统进入中断等待状态，当定时器发出中断后，开始一个循环的数据采集、处理和输出。在本采集、处理周期中，首先采集进来多路输入信号，然后用上个采集、处理周期中计算出的解耦数据，对每路信号进行动态解耦；再利用解耦后的数据进行动态补偿；再根据动态补偿结果计算下一周期的动态解耦数据；最后，将动态解耦—补偿结果输出。如此循环，不断地采集、处理和输出。对研制的传感器模拟器进行两通道的动态解耦—补偿实验，动态解耦—补偿后，耦合分量降低为原来的20％，阶跃响应进入稳态的时间降为原来的30％。
数据采集子程序软件框图如图5所示，每次循环开始后查询标志位状态，如果标志位为0，则表明8路数据已全部采集完成，此时启动S/H开始采样，在后续数据处理的同时让S/H采样数据到达稳定，为下一次数据采集作准备，这样就不需在采样后再加等待时间，但程序执行后所采第1点无效。启动S/H后的等待时间是为了让S/H保持的数据达到稳定，切换MUX后的等待时间是给MUX的切换时间及后接放大器的建立时间。启动A/D后，ADSP2181不断查询BUSY线状态，一旦BUSY线为高电平，即表明A/D转换已完成，可以读数。读数完毕后，将标志位减1，转回循环开始。
实时动态校正算法是以解差分方程为基础的，解差分方程子程序软件框图如图6所示。MR为ADSP2181的乘积寄存器，an和bn分别为y(t-n)和x(t-n)的系数，放在不同的数组寄存器中。第一次循环计算n-1次an×y(t-n)，第二次循环计算n次bn×x(t-n)并与第一次循环计算结果相加，此时MR寄存器中即为差分方程结果。
通过调入不同的软件程序，还可以在本发明系统上实现单独的动态补偿或动态解耦。动态补偿时的系统软件结构只需将图4中的动态解耦环节去掉即可。具体实现时，需预先设计好相应通道的动态补偿器，并将补偿器系数存在ADSP2181内部的数据寄存器中，数据采集完成后，通过解差分方程分别对每一路数据进行动态补偿，并将补偿结果输出。我们对3个多维腕力传感器的阶跃响应分别进行了动态补偿，取得很好效果。原传感器阶跃响应进入稳态时间(10％误差限)长达20ms～100ms，经过动态补偿后，3个传感器的各个通道进入器的8路输出信号同时采样，故用了8个S/H LF398。LF398的第2脚上接24k电阻和1k电位器组成直流调零电路。第6脚与第7脚之间接1个1000pF的保持电容。第8脚为采样/保持控制信号端，与ADSP2181的可编程输入、输出口PF0相连，由ADSP2181控制采样/保持状态，采样时ADSP2181将PF0置为低电平，保持时将PF0置为高电平。8路S/H的输出端与MUX的输入端相连。
考虑到系统的成本，只选用了1片高速A/D，需要分时对8路信号进行转换，所以在S/H与A/D之间设置1个模拟多路开关(MUX)MAX398。MUX输入端分别与相应的8个S/H的输出端相连。MUX内部八选一译码器的三个输入分别与ADSP2181的可编程输入、输出口PF0、PF1和PF2相连，其通道切换由ADSP2181的PF0、PF1和PF2决定。MUX输出与后接的放大器(AMP)的同相输入端相连，MUX的使能端与+5V电源相连，始终保持使能状态。
由于进入S/H和MUX的信号范围为±5V，而A/D的量程为±10V，为保证A/D转换精度，充分利用A/D位数，需要在MUX和A/D之间加入放大器，将MUX的输出信号放大一倍；同时，由于A/D输入阻抗较小，放大器还可起到阻抗变换的作用。选用LF351N。R11和R12构成同相放大电路，两个稳压管Z1和Z2起过压保护作用，当输入电压过大时将其钳位在±10V，R10用于补偿稳压管较大的吸收电流。
A/D选用12位的ADS7810P，模拟信号经50Ω电阻送入A/D，A/D的数据线与ADSP2181数据线的高16位相连，CS脚与逻辑控制电路74F138输出Y0相连，BUSY脚与ADSP2181输入输出口PF6(设为输入状态)相连，以使ADSP方便地查询A/D状态，R/C脚与ADSP2181的输入输出口PF5相连，使ADSP可以控制A/D的转换过程。C9～C14为去耦电容。
选用DSP作为多维力传感器实时动态校正系统的核心。DSP体积小，运算速度快，指令周期是ns级的，且为并行处理方式，一条指令就可以完成一次乘法操作或移位运算，还有多功能指令，完全可以满足实时动态校正的速度要求。DSP主要有两大系列TMS320和ADSP。从运算能力、片内存储量、程序编程和体积等几个方面，对它们进行比较，选用ADSP系列中的定点系列的ADSP2181作为处理器。它内部有倍频电路，外接晶振频率低工作可靠，内部有16K数据存储器和16K程序存储器，不需外接高速RAM，体积小，指令周期为30ns，比同档次的TMS320系列芯片运算速度快。当然，也可以采用其它系列的DSP。
ADSP2181内部程序存储器数据总线(24位)和内部数据存储器数据总线(16位)在外部结合成24位的外部数据总线。外部数据总线的高16位与16位的内部数据存储器数据总线相连。因此，在ADSP2181和外部设备进行连接时，应将外部设备的数据线和ADSP2181外部数据线的高12位相连接ADS7810P的DB0～DB11和MAX507的DB0～DB11接至ADSP2181的D12～D23，如图3所示。工作时，ADSP2181首先启动A/D，然后不断查询PF6状态，一旦PF6为高电平，即说明A/D转换完成，ADSP从数据线上读取数据进行处理，再将结果送D/A输出。
为控制A/D和D/A的读写及数据转换，需要ADSP2181发出控制指令。ADSP2181指令中有专门对外围设备进行数据读写的操作指令，利用该指令对A/D和D/A读写时，需要外部解码电路，将ADSP2181地址线的变化与相应外围芯片的片选相联系。选用74F138三线—八线译码器，组成外围逻辑控制电路，ADSP2181低3位地址线A0、A1、A2与74F138输入A、B、C相连。以ADSP2181稳态时间均缩短为5ms以内。
动态解耦时的系统软件结构只需将图4中的动态补偿环节去掉即可。具体实现时，将预先设计好的解耦环节系数存入ADSP2181内部的数据寄存器中，数据采集完成后，对每-路输入信号，均需利用其它各通道的输入信号进行动态解耦，再将解耦后的结果输出。对发明人研制的传感器模拟器(用运算放大器和电阻、电容等组成电路，模拟传感器的动态特性，以便进行实验)进行两通道的动态解耦实验，动态解耦后，传感器模拟器的耦合分量降低为原来的10％。
权利要求
1.一种多维力传感器的实时动态校正系统，该系统由模拟输入通道、DSP(数字信号处理器)、模拟输出通道、逻辑控制电路、EPROM、串行接口电路以及相应的软件组成；其特征在于DSP芯片及逻辑控制电路部分和系统中的其它部分相连，构成对多维力传感器的动态响应信号进行实时动态校正的系统。
2.一种多维力传感器的实时动态校正系统，其特征在于多维力传感器的多路输出信号与本发明系统的8个S/H的输入端相连；DSP根据采样频率控制S/H进行采样或保持；MUX对多路信号轮流切换，经AMP放大后，送A/D处理；AMP为A/D提供最佳的输入量程；A/D的状态线BUSY脚与DSP的可编程输入、输出口相连，DSP通过查询BUSY脚的状态来决定读数的时间；当DSP采进同一时刻的8路信号后，先进行静态解耦，变成代表三维空间的力和力矩分量Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz；然后，进行动态解耦—补偿，减少多维力传感器各个通道之间的耦合，提高传感器动态响应的快速性；其结果由6个D/A同时输出，滤波电路用来去除D/A转换后的毛刺；逻辑控制电路在DSP的程序控制下，决定A/D和D/A的片选状态。
3.根据权利1或权利2所述的一种多维力传感器的实时动态校正系统，其特征在于DSP芯片及逻辑控制电路，采用动态解耦—补偿算法，实时处理多维力传感器的多路动态响应信号；在当前采集、处理周期中，首先采集进来多路输入信号，然后用上个采集、处理周期中计算出的解耦数据，对每路信号进行动态解耦；再利用解耦后的数据进行动态补偿；再根据动态补偿结果计算下一周期的动态解耦数据；最后，将动态解耦-补偿结果输出；如此循环，不断地采集、处理和输出。
4.根据权利1或权利2所述的一种多维力传感器的实时动态校正系统，其特征在于DSP芯片及逻辑控制电路，采用静态解耦算法，将多维力传感器的多个桥路输出信号，变成代表三维空间的力和力矩分量Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz的6路信号。
5.根据权利1或权利2所述的一种多维力传感器的实时动态校正系统，其特征在于DSP芯片及逻辑控制电路，采用动态解耦，实时处理多维力传感器的多路动态响应信号，减少多维力传感器各个通道之间的耦合。
6.根据权利1或权利2所述的一种多维力传感器的实时动态校正系统，其特征在于DSP芯片及逻辑控制电路，采用动态补偿算法，实时处理多维力传感器的多路动态响应信号，提高传感器动态响应的快速性。
7.根据权利1所述的一种多维力传感器的实时动态校正系统，其特征在于模拟输入通道由多个采样/保持器(S/H)、1个模拟多路开关(MUX)、1个放大器(AMP)和模/数转换器(A/D)组成；对多维力传感器的多路输出信号进行采样，变成数字量，输入DSP处理。
8.根据权利1所述的一种多维力传感器的实时动态校正系统，其特征在于输出通道由多个数/模转换器(D/A)和多个滤波器组成，以便观察和验证实时动态校正系统的效果。
9.根据权利1所述的一种多维力传感器的实时动态校正系统，其特征在于DSP做为系统核心控制系统其他部分协调工作。
10.根据权利1所述的一种多维力传感器的实时动态校正系统，其特征在于串行接口电路可以与个人计算机通讯，调试实时动态校正系统。
全文摘要
一种以数字信号处理器(DSP)为核心,具有实时动态校正功能的多维力传感器信号处理系统。由DSP、模拟输入通道、模拟输出通道、逻辑控制电路、EPROM、串行接口电路以及相应的软件组成。它可以对多维力传感器的输出信号进行实时动态解耦－补偿,同时解决多维力传感器中存在的动态响应速度慢和维间耦合这两个关键问题。还可以方便地实现静态解耦。此外,通过选择相应的算法软件,可以单独进行动态解耦,或单独进行动态补偿,极大提高多维力传感器的动态性能指标。
文档编号G01L15/00GK1245287SQ9910826
公开日2000年2月23日 申请日期1999年6月4日 优先权日1999年6月4日
发明者徐科军, 李成, 陈荣保, 苏建徽 申请人:合肥工业大学