现代传感技术传感器选型实例(FSR压力传感器).docx

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现代传感技术

1.传感器的现场选型，以及例子说明
需求分析：用于二足机器人的脚底，主要研究行走或受外力干扰时，通过动态平衡控制使行走更趋于稳定，并增强站立时稳定性。二足机器人站立高为320mm，宽为230mm，重量约为1.5kg。
选型：FSR共有四种类型传感器分别为400、402、406、408。他们的区别在于接触面积，和厚度不同。
400有效面积为0.2，层最厚部分为0.012。
402有效面积为0.5，层最厚部分为0.018。
406有效面积为1.5×1.5，层最厚部分为0.018。
408有效面积为24×0.25，层最厚部分为0.135。
由于二足机器人重量较轻，需要在脚底安置多个进行精密测量，我选择的是压力传感器FRS400。
压力感应电阻是弯曲压力传感器的一种，简称FSR，FSR是一种随着有效表面上压力增大而输出阻值减小的高分子薄膜（PVDF薄膜），FSR并不是测压元件或形变测量仪，尽管他们有着相似的性能。而且这类压力感测电阻不适用于精密测量，但是FSR却是一款灵敏度较高的传感器。下图为FRS400的性能曲线

量程：0~10kg
灵敏度：〈100g to 〉10kg
精度：±5% to ±25%
力分辨率：充分利用力的±0.5%
延时时间：1~2ms
温度范围：-30℃ to +70℃
价格：76/个
根据以上参数，FRS400适用于二足机器人的动态平衡控制，可进行实验。
用法：
FSR400的接法：
应用在二足机器人上的主要四个方面：
目的：当机器人运行时，经传感器取值并通过控制器补偿机器人重心稳定位置，分析比较不同控制器的性能差异，让机器人不论在静态、动态都具有抗干扰性，使机器人在姿态及运作效能上得以改善。
硬件架构：该二足机器人是由双足十个自由度、头部一个自由度、伺服机驱动模块、无线模块、超生波传感器、电子罗盘、加速度计以及8颗压力传感器构成。脚底是A/D转换电路及8颗压力传感器组成，大小为6cm×9cm。主要是借由脚底压力传感器的取值并运算出实际重心位置之后，并控制伺服机以达到行走平衡的目的。由于压力传感器输出的是模拟信号，为了使实验板取得压力值、节省空间，故在脚底板设计A/D转换电路。
下图为传感器位置

软件构架:为了能够方便测试与监控机器人状态，适用VC6.0开发环境，并用MFC构建监视画面。
平衡架构：机器人步行时，平衡重心的便宜分为单脚与双脚两种情况，下图为脚底坐标系统。

①平衡架构分为：压力传感器初始化、压力传感器取得压力值、压力值滤波、重心误差、平衡控制及伺服机补偿等6个构架。下图为控制流程图
结论：
透过二足传感器取得压力值，并计算机器人实际重心位置，再将实际重心位置以模糊控制器运算，计算机器人步行时各伺服机的补偿角度，并与PID控制器运算做比较，透过各伺服机角度补偿可明显看出补偿前后的差异。
名词解释：
伺服机：伺服机是遥控模型控制动作的动力来源，主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给伺服机，经由电路板上的 IC 判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。
PVDF： 是有机压电材料，又称压电聚合物。这类材料及其材质柔韧、低密度、低阻抗和高压电电压常数(g)等优点为世人瞩目，且发展十分迅速，现在水声超声测量，压力传感，引燃引爆等方面获得应用。不足之处是压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制。
自由度：机构具有确定运动时，为了使机构得以确定，必须给定独立广义坐标的数目。数目常以F表示，如F〉0就可以成为一个机构，表明有相对运动。

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