CN116259212B - 一种非接触式磁感应模拟操纵台装置及线性校正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非接触式磁感应模拟操纵台装置及线性校正方法，涉及磁感应模拟操纵台技术领域，包括呈水平方向布设的模拟操纵台装置水平轴以及呈竖直方向布设的模拟操纵台装置垂直轴；模拟操纵台装置水平轴上布设有水平轴弧形永磁铁，水平轴弧形永磁铁一侧布设有水平轴霍尔型磁角度传感器，模拟操纵台装置垂直轴上布设有垂直轴弧形永磁铁，垂直轴弧形永磁铁一侧布设有垂直轴霍尔型磁角度传感器；其中，水平轴弧形永磁铁封装表面与模拟操纵台装置水平轴方向相垂直，垂直轴弧形永磁铁封装表面与模拟操纵台装置垂直轴方向相垂直，操纵台输出值和旋转机械角度呈线性关系，据此可以模拟出实装操纵台的调炮速度曲线，精准度更高。

Description

一种非接触式磁感应模拟操纵台装置及线性校正方法
技术领域
本发明涉及磁感应模拟操纵台技术领域，具体涉及一种非接触式磁感应模拟操纵台装置及线性校正方法。
背景技术
操纵台作为装甲车辆训练模拟器火控***的重要组成装置，其输出信号是计算调炮速度的基础，直接影响到炮手瞄准目标的速度、精度和装甲车辆训练模拟器火控***的机动能力，模拟操纵台装置的关键在于操纵台输出信号与旋转机械角度二者之间成线性关系。
现有技术中，在操纵台装置机械结构设计时，为了解决霍尔型磁角度传感器装配困难的问题，霍尔型磁角度传感器采用侧轴安装方式，即霍尔型磁角度传感器固定在永磁体外侧的水平方向上，当将霍尔型磁角度传感器与旋转轴一侧的磁铁协同工作时，霍尔阵列会同时检测到径向磁场法向分量Bx和切向分量By（或者在正交侧轴的情况下看到垂直分量Bz），在这种结构中，法向分量Bx的大小通常大于切向分量By，当传感器感应到大小不相等的两个磁场时，随着磁钢的旋转，角度输出将变为非线性，这就导致操纵台输出为非线性，此外侧轴安装方式下霍尔型磁角度传感器、弧形永磁体安装时产生的机械公差与弧形永磁体的磁化公差更会增大操纵台输出的非线性，在操纵台装置中永磁体是固定在半屏蔽环内，且操纵台的水平、垂直轴能够操纵的旋转机械角度范围也非常小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非接触式磁感应模拟操纵台装置及线性校正方法，解决以下技术问题：
侧轴安装方式下霍尔型磁角度传感器、弧形永磁体安装时产生的机械公差与弧形永磁体的磁化公差更会增大操纵台输出的非线性。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种非接触式磁感应模拟操纵台装置，包括呈水平方向布设的模拟操纵台装置水平轴以及呈竖直方向布设的模拟操纵台装置垂直轴；
模拟操纵台装置水平轴上布设有水平轴弧形永磁铁，水平轴弧形永磁铁一侧布设有水平轴霍尔型磁角度传感器，模拟操纵台装置垂直轴上布设有垂直轴弧形永磁铁，垂直轴弧形永磁铁一侧布设有垂直轴霍尔型磁角度传感器；
其中，水平轴弧形永磁铁封装表面与模拟操纵台装置水平轴方向相垂直，垂直轴弧形永磁铁封装表面与模拟操纵台装置垂直轴方向相垂直。
优选的，水平轴弧形永磁铁与垂直轴弧形永磁铁的弧度为105°。
优选的，水平轴弧形永磁铁与水平轴霍尔型磁角度传感器以及垂直轴弧形永磁铁与垂直轴霍尔型磁角度传感器之间的距离小于1mm。
优选的，在侧轴安装方式下，水平轴霍尔型磁角度传感器与垂直轴霍尔型磁角度传感器分别检测到水平轴弧形永磁铁与垂直轴弧形永磁铁周边磁场的切向矢量By和法向矢量Bx。
优选的，所述切向矢量By和法向矢量Bx表达式如下：
By=Ay0sinφ
Bx=Ax0sinφ
其中，Ay0为检测到的磁场切向矢量By的幅度值、Ax0为检测到的磁场法向矢量Bx的幅度值，φ为模拟操纵台装置水平轴或模拟操纵台装置垂直轴的旋转机械角度。
一种非接触式磁感应模拟操纵台装置的线性校正方法，包括如下步骤：
对模拟操纵台装置的水平轴霍尔型磁角度传感器与垂直轴霍尔型磁角度传感器进行校零；
依次旋转模拟操纵台装置水平轴与模拟操纵台装置垂直轴的操纵手柄，每旋转1°，取得相应霍尔型磁角度传感器的测量角度值，直到达到模拟操纵台装置水平轴与模拟操纵台装置垂直轴的最大量程为止，获得校正前测量数据；
基于校正前测量数据分别计算水平轴霍尔型磁角度传感器与模拟操纵台装置水平轴旋转机械角度以及垂直轴霍尔型磁角度传感器与模拟操纵台装置垂直轴旋转机械角度的线性度，绘制线性度关系图，计算得到磁场切向矢量By与法向矢量Bx的幅度误差比；
基于幅度误差比对水平轴霍尔型磁角度传感器以及垂直轴霍尔型磁角度传感器检测到的磁场切向矢量By与法向矢量Bx的幅度进行补偿；
重复上述步骤，直至线性度小于预设范围时停止。
优选的，方法还包括：
利用霍尔型磁角度传感器校正前测量角度ω与旋转机械角度线性关系图计算出幅度误差比λ，从而对校正前测量角度ω进行补偿。
优选的,方法还包括：
对霍尔型磁角度传感器检测到的磁场切向矢量By的幅度Ay0、磁场法向矢量Bx的幅度Ax0进行补偿，使得校正后的幅度误差比λ值为1，则霍尔型磁角度传感器校正后测量角度ω0为：
ω0=arctan（tanφ）=φ
其中，φ为模拟操纵台装置水平轴（3）或模拟操纵台装置垂直轴（6）的旋转机械角度。
本发明的有益效果：
本发明能够在弧形永磁体侧轴安装方式下对输出进行校正，利用霍尔型磁角度传感器校正前测量角度ω与旋转机械角度线性关系图计算出幅度误差比λ，从而对校正前测量角度ω进行补偿，使操纵台输出值和旋转机械角度呈线性关系，据此可以模拟出实装操纵台的调炮速度曲线，精准度更高。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明一种非接触式磁感应模拟操纵台装置的结构示意图；
图2是本发明一种非接触式磁感应模拟操纵台装置中弧形永磁体与霍尔型磁角度传感器的相对位置示意图；
图3是本发明一种非接触式磁感应模拟操纵台装置中水平轴旋转时霍尔型磁角度传感器测量角度与旋转机械角度线性关系图；
图4是本发明一种非接触式磁感应模拟操纵台装置中垂直轴旋转时霍尔型磁角度传感器测量角度与旋转机械角度线性关系图；
图5是本发明一种非接触式磁感应模拟操纵台装置的线性校正方法流程图。
图中：1、水平轴霍尔型磁角度传感器；2、水平轴弧形永磁铁；3、模拟操纵台装置水平轴；4、垂直轴霍尔型磁角度传感器；5、垂直轴弧形永磁铁；6、模拟操纵台装置垂直轴。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1-2所示，本发明为一种非接触式磁感应模拟操纵台装置，包括呈水平方向布设的模拟操纵台装置水平轴3以及呈竖直方向布设的模拟操纵台装置垂直轴6，对于本实施例的一种实施方式，模拟操纵台装置水平轴3上布设有水平轴弧形永磁铁2，水平轴弧形永磁铁2一侧布设有水平轴霍尔型磁角度传感器1，模拟操纵台装置垂直轴6上布设有垂直轴弧形永磁铁5，垂直轴弧形永磁铁5一侧布设有垂直轴霍尔型磁角度传感器4，其中，水平轴弧形永磁铁2封装表面与模拟操纵台装置水平轴3延伸方向相垂直，垂直轴弧形永磁铁5封装表面与模拟操纵台装置垂直轴6延伸方向相垂直；
在另一种实施方式中，水平轴弧形永磁铁2以及垂直轴弧形永磁铁5的弧度为105°；水平轴弧形永磁铁2与水平轴霍尔型磁角度传感器1之间的距离以及垂直轴弧形永磁铁5与垂直轴霍尔型磁角度传感器4之间的距离小于1mm；
需要说明的是，基于此安装方式，水平轴霍尔型磁角度传感器1与垂直轴霍尔型磁角度传感器4分别可以检测到水平轴弧形永磁铁2与垂直轴弧形永磁铁5周边磁场的切向矢量By和法向矢量Bx；
与此同时，在侧轴安装方式下，模拟操纵台仅考虑幅度误差时，所检测到的磁场切向矢量By和法向矢量Bx表达式如下：
By=Ay0sinφ
By =Ax0sinφ
其中，Ay0为检测到的磁场切向矢量By的幅度值、Ax0为检测到的磁场法向矢量Bx的幅度值，φ为模拟操纵台装置水平轴3或模拟操纵台装置垂直轴6的旋转机械角度。
实施例2
请参阅图5，一种非接触式磁感应模拟操纵台装置的线性校正方法，包括如下步骤：
S101、对模拟操纵台装置的水平轴霍尔型磁角度传感器1与垂直轴霍尔型磁角度传感器4进行校零；
S102、依次旋转模拟操纵台装置水平轴3与模拟操纵台装置垂直轴6的操纵手柄，模拟操纵台装置水平轴3与模拟操纵台装置垂直轴6每旋转1°，记录相应水平轴霍尔型磁角度传感器1与垂直轴霍尔型磁角度传感器4对应的测量角度值，直到达到模拟操纵台装置水平轴3与模拟操纵台装置垂直轴6的最大量程为止，得到校正前测量数据；
S103、基于校正前测量数据分别计算水平轴霍尔型磁角度传感器1与模拟操纵台装置水平轴3旋转机械角度以及垂直轴霍尔型磁角度传感器4与模拟操纵台装置垂直轴6旋转机械角度的线性度，绘制线性度关系图，计算得到磁场切向矢量By与法向矢量Bx的幅度误差比；
S104、基于幅度误差比对水平轴霍尔型磁角度传感器1以及垂直轴霍尔型磁角度传感器4检测到的磁场切向矢量By与法向矢量Bx的幅度进行补偿；
S105、重复上述步骤，直至线性度小于预设范围时停止。
在本实施例的一种实施方式中，对于步骤S101：
对模拟操纵台装置的水平轴霍尔型磁角度传感器1与垂直轴霍尔型磁角度传感器4进行校零时，方法还包括：使得模拟操纵台装置水平轴3以及模拟操纵台装置垂直轴6均处于静止状态，对水平轴霍尔型磁角度传感器1与垂直轴霍尔型磁角度传感器4进行校零，保证模拟操纵台装置静止时模拟操纵台装置水平轴3以及模拟操纵台装置垂直轴6处于零点状态，也即水平轴霍尔型磁角度传感器1以及垂直轴霍尔型磁角度传感器4测量前角度为0；
在如下具体实施方式中，霍尔型磁角度传感器表示为水平轴霍尔型磁角度传感器1或垂直轴霍尔型磁角度传感器4。
对于步骤S102，霍尔型磁角度传感器校正前测量角度为：
ω=arctan（By/Bx）
=arctan（Ay0sinφ/Axocosφ）
=arctan(λtanφ)
其中，λ=Ay0/Ax0为幅度误差比，在侧轴安装方式下，由于幅度误差比λ的影响会导致模拟操纵台装置输出为非线性，此时霍尔型磁角度传感器校正前测量角度ω与选装机械角度φ之间存在角度误差γ为：
γ=ω-φ
则霍尔型磁角度传感器测量角度和旋转机械角度二者之间的线性度η为：
η=γmax/R
其中，γmax为最大角度误差，R为霍尔型磁角度传感器校正前测量角度的最大值；
利用霍尔型磁角度传感器校正前测量角度ω与旋转机械角度线性关系图可以计算出幅度误差比λ，从而对校正前测量角度ω进行补偿，即对霍尔型磁角度传感器检测到的磁场切向矢量By的幅度Ay0、磁场法向矢量Bx的幅度Ax0进行补偿，使得校正后的幅度误差比λ值为1，则霍尔型磁角度传感器校正后测量角度ω0为：
ω0=arctan（tanφ）=φ
请参阅图附图3-图4，分别为模拟操纵台装置水平轴3以及模拟操纵台装置垂直轴6旋转时霍尔型磁角度传感器测量角度与旋转机械角度之间的关系图；
其中，模拟操纵台装置水平轴3机械旋转角度以顺时针旋转为正方向，模拟操纵台装置垂直轴6以向上旋转为正方向，可以得出模拟操纵台装置校正前线性度η较大，校正后线性度η较小，也即校正后线性特性越好。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。此外，“第一”、“第二”仅由于描述目的，且不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.一种非接触式磁感应模拟操纵台装置的线性校正方法，所述模拟操纵台装置包括呈水平方向布设的模拟操纵台装置水平轴（3）以及呈竖直方向布设的模拟操纵台装置垂直轴（6）；
其特征在于，模拟操纵台装置水平轴（3）上布设有水平轴弧形永磁铁（2），水平轴弧形永磁铁（2）一侧布设有水平轴霍尔型磁角度传感器（1）；
模拟操纵台装置垂直轴（6）上布设有垂直轴弧形永磁铁（5），垂直轴弧形永磁铁（5）一侧布设有垂直轴霍尔型磁角度传感器（4）；
其中，水平轴弧形永磁铁（2）封装表面与模拟操纵台装置水平轴（3）延伸方向相垂直，垂直轴弧形永磁铁（5）封装表面与模拟操纵台装置垂直轴（6）延伸方向相垂直；
所述线性校正方法包括如下步骤：
对模拟操纵台装置的水平轴霍尔型磁角度传感器（1）与垂直轴霍尔型磁角度传感器（4）进行校零；
旋转模拟操纵台装置水平轴（3）与模拟操纵台装置垂直轴（6），每旋转1°，取得相应霍尔型磁角度传感器的测量角度值，直到达到模拟操纵台装置水平轴（3）与模拟操纵台装置垂直轴（6）的最大量程为止，获得校正前测量数据；
基于校正前测量数据分别计算水平轴霍尔型磁角度传感器（1）与模拟操纵台装置水平轴（3）旋转机械角度以及垂直轴霍尔型磁角度传感器（4）与模拟操纵台装置垂直轴（6）旋转机械角度的线性度，绘制线性度关系图，计算得到磁场切向矢量By与法向矢量Bx的幅度误差比；
基于幅度误差比对水平轴霍尔型磁角度传感器（1）以及垂直轴霍尔型磁角度传感器（4）检测到的磁场切向矢量By与法向矢量Bx的幅度进行补偿；
重复上述步骤，直至线性度小于预设范围时停止。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式磁感应模拟操纵台装置的线性校正方法,其特征在于，水平轴弧形永磁铁（2）以及垂直轴弧形永磁铁（5）的弧度为105°。
3.根据权利要求2所述的一种非接触式磁感应模拟操纵台装置的线性校正方法,其特征在于，水平轴弧形永磁铁（2）与水平轴霍尔型磁角度传感器（1）之间的距离以及垂直轴弧形永磁铁（5）与垂直轴霍尔型磁角度传感器（4）之间的距离小于1mm。
4.根据权利要求1所述的一种非接触式磁感应模拟操纵台装置的线性校正方法,其特征在于，在侧轴安装方式下，水平轴霍尔型磁角度传感器（1）与垂直轴霍尔型磁角度传感器（4）分别检测到水平轴弧形永磁铁（2）与垂直轴弧形永磁铁（5）周边磁场的切向矢量By和法向矢量Bx。
5.根据权利要求4所述的一种非接触式磁感应模拟操纵台装置的线性校正方法,其特征在于，所述切向矢量By和法向矢量Bx表达式如下：
By=Ay0sinφ
Bx=Ax0sinφ
其中，Ay0为检测到的磁场切向矢量By的幅度值、Ax0为检测到的磁场法向矢量Bx的幅度值，φ为模拟操纵台装置水平轴（3）或模拟操纵台装置垂直轴（6）的旋转机械角度。
6.根据权利要求1所述的一种非接触式磁感应模拟操纵台装置的线性校正方法,其特征在于，所述方法还包括：
对霍尔型磁角度传感器检测到的磁场切向矢量By的幅度Ay0、磁场法向矢量Bx的幅度Ax0进行补偿，使得校正后的幅度误差比λ值为1，则霍尔型磁角度传感器校正后测量角度ω0为：
ω0=arctan（tanφ）=φ
其中，φ为模拟操纵台装置水平轴（3）或模拟操纵台装置垂直轴（6）的旋转机械角度。
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