摇杆传感器标定方法、系统、介质及电子设备 |
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| 申请号 | CN202310230481.4 | 申请日 | 2023-03-06 | 公开(公告)号 | CN116430946B | 公开(公告)日 | 2023-12-01 |
| 申请人 | 极限人工智能有限公司; | 发明人 | 王迎智; 董先公; 周毅; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种摇杆 传感器 标定方法、系统、介质及 电子 设备，属于一般的控制或调节系统技术领域。以摇杆初始的中心点为原心，以摇杆的承载平面构建XY平面 坐标系 ，将摇杆在XY平面坐标系上的圆周运动范围相对X轴分成N个旋转 角 度，获取每个旋转角度对应的最大值偏移量检测值，其中，N为正整数；当每个旋转角度对应的最大值偏移量检测值均相同时，不进行标定；否则，根据摇杆当前所处旋转角度下的最大偏移量检测值、摇杆 顶点 在XY平面坐标系的投影坐标以及摇杆假定的最大偏移角度，得到标定后的摇杆当前偏移角度；本发明实现了摇杆运动极值的标定，得到了标定后的摇杆当前偏移角度，进而实现了更精准的摇杆控制。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种摇杆传感器标定方法，其特征在于： |
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| 说明书全文 | 摇杆传感器标定方法、系统、介质及电子设备技术领域[0001] 本发明涉及一般的控制或调节系统技术领域，特别涉及一种摇杆传感器标定方法、系统、介质及电子设备。 背景技术[0002] 本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。 [0003] 微创医疗器械一般分为两种：一种为纯机械传动，通过机械传动，将简易的动作指令传递给末端的执行器械，功能较为单一；另一种是电控的，输入设备发信号给控制系统，控制系统通过电机驱动传动机构带动末端的执行器械动作，形成真正意义上的手术机器人，可以执行复杂动作。对于手术机器人，在执行手术动作时，输入设备发送信号给控制器，控制器发出控制指令给电机，电机经传动机构带动末端器械，末端器械执行动作。 [0004] 整个过程需要精确度极高的运动控制，通常器械端要求毫米级控制，某些特殊领域的手术机器人，甚至需要微米级控制，想要实现精确的器械控制，需要有精确的信号输入设备，为了提高医务人员的操作舒适度，提出了拟手化的手术操作结构，而摇杆传感器(又称3D摇杆电位器)配合机械结构设计可以利用手腕部的力量，因此应用越来越广泛。 [0005] 摇杆传感器一般是给定电源和地后，输出两路模拟电压，表示摇杆在XY轴的位置，通过三角函数进一步可以计算出摇杆的角度。理想状态的摇杆输出有两个标准：一是向各个方向移动，比如上下左右移动，输出的极值是相同的；二是在某一个方向上移动摇杆，其输出信号与角度是成线性的。一般要求摇杆在各个方向的移动极值是相同的，在设计时默认以摇杆中心点为原点且朝各个方向能移动的物理角度是一致的，通过相同的移动极值可以明确输入数据的范围。 发明内容[0007] 为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种摇杆传感器标定方法、系统、介质及电子设备，实现了摇杆运动极值的标定，得到了标定后的摇杆当前偏移角度，进而实现了更精准的摇杆控制。 [0008] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案： [0009] 本发明第一方面提供了一种摇杆传感器标定方法。 [0010] 一种摇杆传感器标定方法，包括以下过程： [0011] 以摇杆初始的中心点为原心，以摇杆的承载平面构建XY平面坐标系，将摇杆在XY平面坐标系上的圆周运动范围相对X轴分成N个旋转角度，获取每个旋转角度对应的最大值偏移量检测值，其中，N为正整数； [0012] 当每个旋转角度对应的最大值偏移量检测值均相同时，不进行标定；否则，根据摇杆当前所处旋转角度下的最大偏移量检测值、摇杆顶点在XY平面坐标系的投影坐标以及摇杆假定的最大偏移角度，得到标定后的摇杆当前偏移角度。 [0013] 作为可选的一种实现方式，根据任一旋转角度对应的最大值偏移量检测值与摇杆当前所处旋转角度对应的最大值偏移量检测值的比值，得到摇杆当前所述旋转角度对应的标定系数，根据标定系数结合标定前的摇杆当前偏移角度，得到标定后的摇杆当前偏移角度。 [0014] 作为可选的一种实现方式，标定后的摇杆当前偏移角度为：其中，θ为摇杆假定的最大偏移角度，angle[α]为旋转角度α下的最大偏移量检测值，x为摇杆顶点在XY平面坐标系的投影x轴坐标，y为摇杆顶点在XY平面坐标系的投影y轴坐标。 [0015] 作为可选的一种实现方式，获取每个角度对应的最大值偏移量检测值，包括： [0016] 摇杆移动到各方向的极限位置，在极限位置转动多圈，每个旋转角度以各圈检测值的均值为最终的最大值偏移量检测值。 [0017] 作为可选的一种实现方式，摇杆假定的最大偏移角度θ的范围为0°＜θ＜90°。 [0018] 作为可选的一种实现方式，N为360，相邻角度之间差1°。 [0019] 本发明第二方面提供了一种摇杆传感器标定系统。 [0020] 一种摇杆传感器标定系统，包括： [0021] 最大值偏移量检测值获取模块，被配置为：以摇杆初始的中心点为原心，以摇杆的承载平面构建XY平面坐标系，将摇杆在XY平面坐标系上的圆周运动范围相对X轴分成N个旋转角度，获取每个旋转角度对应的最大值偏移量检测值，其中，N为正整数； [0022] 摇杆当前偏移角度标定值获取模块，被配置为：当每个旋转角度对应的最大值偏移量检测值均相同时，不进行标定；否则，根据摇杆当前所处旋转角度下的最大偏移量检测值、摇杆顶点在XY平面坐标系的投影坐标以及摇杆假定的最大偏移角度，得到标定后的摇杆当前偏移角度。 [0023] 作为可选的一种实现方式，标定后的摇杆当前偏移角度为：其中，θ为摇杆假定的最大偏移角度，angle[α]为旋转角度α下的最大偏移量检测值，x为摇杆顶点在XY平面坐标系的投影x轴坐标，y为摇杆顶点在XY平面坐标系的投影y轴坐标。 [0024] 本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的摇杆传感器标定方法中的步骤。 [0025] 本发明第四方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的摇杆传感器标定方法中的步骤。 [0026] 与现有技术相比，本发明的有益效果是： [0027] 1、本发明所述的摇杆传感器标定方法、系统、介质及电子设备，根据摇杆当前所处旋转角度下的最大偏移量检测值、摇杆顶点在XY平面坐标系的投影坐标以及摇杆假定的最大偏移角度，得到标定后的摇杆当前偏移角度，实现了更精准的摇杆控制。 [0028] 2、本发明所述的摇杆传感器标定方法、系统、介质及电子设备，根据任一旋转角度对应的最大值偏移量检测值与摇杆当前所处旋转角度对应的最大值偏移量检测值的比值，得到摇杆当前所述旋转角度对应的标定系数，根据标定系数(中间变量)结合标定前的摇杆当前偏移角度，得到标定后的摇杆当前偏移角度，标定策略简单高效。附图说明 [0030] 图1为本发明实施例1提供的摇杆传感器的结构示意图。 [0031] 图2为本发明实施例1提供的摇杆传感器的正视图。 [0032] 图3为本发明实施例1提供的摇杆传感器的俯视图。 [0033] 图4为本发明实施例1提供的摇杆运动理想范围。 [0034] 图5为本发明实施例1提供的摇杆参数设定示意图。 具体实施方式[0035] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。 [0036] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。 [0037] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。 [0038] 在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。 [0039] 实施例1： [0040] 本发明实施例1提供了一种摇杆传感器标定方法，包括以下过程： [0041] 以摇杆初始的中心点为原心，以摇杆的承载平面构建XY平面坐标系，将摇杆在XY平面坐标系上的圆周运动范围相对X轴分成N个旋转角度，获取每个旋转角度对应的最大值偏移量检测值，其中，N为正整数； [0042] 当每个旋转角度对应的最大值偏移量检测值均相同时，不进行标定；否则，根据摇杆当前所处旋转角度下的最大偏移量检测值、摇杆顶点在XY平面坐标系的投影坐标以及摇杆假定的最大偏移角度，得到标定后的摇杆当前偏移角度。 [0043] 摇杆传感器，一般又称3D摇杆电位器，有四路信号，其中两路分别是电源和地，另外两路是传感器基于X、Y轴的两路模拟信号输出。 [0044] 如图1所示，标号1是可以往各个方向摆动的摇杆；标号2是摇杆的基座，固定不动；基座下面是输出引脚，X、Y的两路模拟信号就是从这里输出的，以基座的上表面构建XY平面坐标系，或者以与基座的上表面平行的平面构建XY平面坐标系；其中，XY平面坐标系所在的平面与摇杆位于原位时的摇杆轴线垂直。 [0045] 摇杆传感器的摇杆有个回中间点的力，摇杆往各个方向可移动的角度基本相同，可实现摇杆往不同方向的运动，如图2所示。 [0046] X、Y两路信号的输出为基于当前位置的电压，如图3所示，摇杆可移动的边缘是输出电压的极值，从中间点往某一侧移动的范围一般在30°左右，不同产品会有所区别。 [0047] 图4是摇杆理想状态下的模拟运动范围，圆内和圆上是摇杆所在的不同点，根据点的位置，X轴和Y轴输出响应坐标，原点O代表摇杆初始的中心点。 [0048] 图4是理想状态，真正的摇杆运动范围实际上可能不是圆形，因为工艺水平有限，加上外接机械的误差，使得实际各个方向的移动距离并不是完全一样的，所以也就造成了极值的不同，即图4实际上是不规则形状，所以需要标定。 [0049] 具体的，包括： [0050] S1：参数定义 [0051] 摇杆传感器默认有X和Y两路模拟量输出，模拟量信号与电源值的大小有关，电源一般是0～3.3V或者0～5V，定义一个角度值β，一个方向值α，如图5所示。 [0052] 原点O是摇杆默认回位点，坐标记为(0，0)；B代表摇杆的顶点，B的位置用(x，y)来表示；OB代表摇杆与中心点的偏移量，本实施例中采用小写的m来表示，假定偏移量最大值是M，即m≤M，偏移量m乘以角度系数k代表摇杆的偏移角度β，偏移角度β的几何意义是偏移量m所代表的物理偏移角度是多少，k是个定值；当m＝M时，有M*k＝30°，30°是假定的最大偏移角度，即k＝30/M；OB与X轴的夹角是α，来表示摇杆的方向。 [0053] 可以理解的，这里的假定的最大偏移角度θ也可以用其他角度来替代，例如45度，50度，80度等等，本领域技术人员可以在0°＜θ＜90°的范围内选择，这里不再赘述。 [0054] 假定B点的坐标为：(x，y)； [0055] 则：k＝30/M， β＝k*m，α＝arctan(y/x)。 [0056] 需要注意的是，方向值α有正负之分，也可能为零，根据B点坐标(x，y)，结合x轴进行方向值α的正负以及是否为零判断，这里不做描述。 [0057] S2：对摇杆传感器的极值进行检测 [0058] 如果要使得摇杆传感器的β符合计算结果，需要k是个定值，即M是个定值，因此本实施例中对不同方向上的最大极值M进行计算； [0059] 根据公式，当m等于M的时候，有： [0060] [0061] 当摇杆移动到极限值位置时，即m＝M时，如果不同方向上的M相同，则说明摇杆传感器的极值是相同的，此时不需要标定；如果不同，则需要标定。 [0062] 具体的极值检测方法，包括： [0063] 摇杆移动到各方向极限位置，在极限位置转动多圈，记录方向α和M的值，判断不同α下M是否相等，如果不相等，则需要校正。 [0064] 考虑到可实施性，本实施例把整个运动范围的圆圈分为360份，也就是360个方向，即将方向值α分为360份(包括360个旋转角度，相邻的旋转角度之间的角度差异为1°，每个旋转角度均是相对于X轴正方向设定)，本实施例定义一个大小为360的float数组angle，当α等于1的时候，计算出M1，angle[1]＝M1；当α等于2的时候，计算出M2，angle[2]＝M2；以此类推，直至计算出M360，angle[360]＝M360。 [0065] 可以理解的，在其他一些实施方式中，也可以将圆圈分成N分，其中N可以是任意值，例如180、720或者其他角度，本领域技术人员可以根据具体工况进行选择，这里不再赘述。 [0066] 优选的，检测的时候，允许α有正负0.2的误差，转动多圈以更新数据，以多圈的平均值为最终的摇杆在各个方向上的极值M。 [0067] S3：极值的标定 [0068] 基于检测到的实际的极值，因为外部连接气件的存在，一般情况下不同方向的极值是不同的，因此需要对传感器进行标定。 [0069] 标定的原理：把摇杆的中间点(或叫中心点)看作圆心，极值代表圆的半径，有些方向上的极值不等于半径值，便将其乘以一个系数，以使得不同方向上的极值等于圆的半径，完成标定。 [0070] 具体的，根据得到的angle数组，angle数组的各元素是不同方向上的极限角度偏移量M，为了使不同方向上的极值M相等(即任意α，angle[α]相等)，定义系数数组N[α]，N[α]*angle[α]＝MT，MT可以是任一方向上的M值(其中T的取值范围为1‑360中的任意正整数)，则： [0071] N[α]＝M0/angle[α]。 [0072] 标定后的摇杆当前偏移角度为： [0073] [0074] 其中，angle[α]是检测出来α旋转角度下的极值检测值，为定值。 [0075] 实施例2： [0076] 本发明实施例2提供了一种摇杆传感器标定系统，包括： [0077] 最大值偏移量检测值获取模块，被配置为：以摇杆初始的中心点为原心，以摇杆的承载平面构建XY平面坐标系，将摇杆在XY平面坐标系上的圆周运动范围相对X轴分成N个旋转角度，获取每个旋转角度对应的最大值偏移量检测值，其中，N为正整数； [0078] 摇杆当前偏移角度标定值获取模块，被配置为：当每个旋转角度对应的最大值偏移量检测值均相同时，不进行标定；否则，根据摇杆当前所处旋转角度下的最大偏移量检测值、摇杆顶点在XY平面坐标系的投影坐标以及摇杆假定的最大偏移角度，得到标定后的摇杆当前偏移角度。 [0079] 所述系统的工作方法，包括： [0080] T1：参数定义 [0081] 摇杆传感器默认有X和Y两路模拟量输出，模拟量信号与电源值的大小有关，电源一般是0～3.3V或者0～5V；定义一个角度值β，一个方向值α，如图5所示。 [0082] 原点O是摇杆默认回位点，坐标记为(0，0)；B代表摇杆的顶点，B的位置用(x，y)来表示；OB代表摇杆与中心点的偏移量，本实施例中采用小写的m来表示，假定偏移量最大值是M，即m≤M，偏移量m乘以角度系数k代表摇杆的偏移角度β，偏移角度β的几何意义是偏移量m所代表的物理偏移角度是多少，k是个定值；当m＝M时，有M*k＝30°，30°是假定的最大偏移角度，即k＝30/M；OB与X轴的夹角是α，来表示摇杆的方向。 [0083] 可以理解的，这里的假定的最大偏移角度θ也可以用其他角度来替代，例如45度，50度，80度等等，本领域技术人员可以在0°＜θ＜90°的范围内选择，这里不再赘述。 [0084] 假定B点的坐标为：(x，y)； [0085] 则：k＝30/M， β＝k*m，α＝arctan(y/x)。 [0086] 需要注意的是，方向值α有正负之分，也可能为零，根据B点坐标(x，y)，结合x轴进行方向值α的正负以及是否为零判断，这里不做描述。 [0087] T2：对摇杆传感器的极值进行检测 [0088] 如果要使得摇杆传感器的β符合计算结果，需要k是个定值，即M是个定值，因此本实施例中对不同方向上的最大极值M进行计算； [0089] 根据公式，当m等于M的时候，有： [0090] [0091] 当摇杆移动到极限值位置时，即m＝M时，如果不同方向上的M相同，则说明摇杆传感器的极值是相同的，此时不需要标定；如果不同，则需要标定。 [0092] 具体的极值检测方法，包括： [0093] 摇杆移动到各方向极限位置，在极限位置转动多圈，记录方向α和M的值，判断不同α下M是否相等，如果不相等，则需要校正。 [0094] 考虑到可实施性，本实施例把整个运动范围的圆圈分为360份，也就是360个方向，即将方向值α分为360份(包括360个旋转角度，相邻的旋转角度之间的角度差异为1°，每个旋转角度均是相对于X轴正方向设定)，本实施例定义一个大小为360的float数组angle，当α等于1的时候，计算出M1，angle[1]＝M1；当α等于2的时候，计算出M2，angle[2]＝M2；以此类推，直至计算出M360，angle[360]＝M360。 [0095] 可以理解的，在其他一些实施方式中，也可以将圆圈分成N分，其中N可以是任意值，例如180、720或者其他角度，本领域技术人员可以根据具体工况进行选择，这里不再赘述。 [0096] 优选的，检测的时候，允许α有正负0.2的误差，转动多圈以更新数据，以多圈的平均值为最终的摇杆在各个方向上的极值M。 [0097] T3：极值的标定 [0098] 基于检测到的实际的极值，因为外部连接气件的存在，一般情况下不同方向的极值是不同的，因此需要对传感器进行标定。 [0099] 标定的原理：把摇杆的中间点(或叫中心点)看作圆心，极值代表圆的半径，有些方向上的极值不等于半径值，便将其乘以一个系数，以使得不同方向上的极值等于圆的半径，完成标定。 [0100] 具体的，根据得到的angle数组，angle数组的各元素是不同方向上的极限角度偏移量M，为了使不同方向上的极值M相等(即任意α，angle[α]相等)，定义系数数组N[α]，N[α]*angle[α]＝MT，MT可以是任一方向上的M值(其中T的取值范围为1‑360中的任意正整数)，则： [0101] N[α]＝M0/angle[α]。 [0102] 标定后的摇杆当前偏移角度为： [0103] [0104] 其中，angle[α]是检测出来α旋转角度下的极值检测值，为定值。 [0105] 实施例3： [0106] 本发明实施例3提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明实施例1所述的摇杆传感器标定方法中的步骤。 [0107] 实施例4： [0108] 本发明实施例4提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明实施例1所述的摇杆传感器标定方法中的步骤。 [0109] 本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。 [0110] 本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。 [0111] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。 [0112] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。 [0113] 本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read‑Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。 [0114] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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