一文了解角度传感器

角度传感器，顾名思义，是用来检测角度的。它的身体中有一个孔，可以配合乐高的轴。当连结到RCX上时，轴每转过1/16圈，角度传感器就会计数一次。往一个方向转动时，计数增加，转动方向改变时，计数减少。计数与角度传感器的初始位置有关。当初始化角度传感器时，它的计数值被设置为0，如果需要，你可以用编程把它重新复位。

概述

当在机器人身上连接上轮子（或通过齿轮传动来移动机器人）时，可以依据旋转的角度和轮子圆周数来推断机器人移动的距离。然后就可以把距离转换成速度，你也可以用它除以所用时间。

实际上，计算距离的基本方程式为：

距离=速度×时间

由此可以得到：

速度=距离/时间

举例

如果把角度传感器连接到马达和轮子之间的任何一根传动轴上，必须将正确的传动比算入所读的数据。举一个有关计算的例子。在你的机器人身上，马达以3:1的传动比与主轮连接。角度传感器直接连接在马达上。所以它与主动轮的传动比也是3:1。也就是说，角度传感器转三周，主动轮转一周。角度传感器每旋转一周计16个单位，所以16*3=48个增量相当于主动轮旋转一周。我们需要知道齿轮的圆周来计算行进距离。幸运地是，每一个LEGO齿轮的轮胎上面都会标有自身的直径。我们选择了体积最大的有轴的轮子，直径是81.6CM(乐高使用的是公制单位)，因此它的周长是81.6×π=81.6×3.14≈256.22CM。

已知量都有了：齿轮的运行距离由48除角度所记录的增量然后再乘以256。我们总结一下。称R为角度传感器的分辨率（每旋转一周计数值），G是角度传感器和齿轮之间的传动比率。我们定义I为轮子旋转一周角度传感器的增量。

即：

I=G×R

在例子中，G为3，对于乐高角度传感器来说，R一直为16.因此，我们可以得到：

I=3×16=48

每旋转一次，齿轮所经过的距离正是它的周长C，应用这个方程式，利用其直径，你可以得出这个结论。

C=D×π

在我们的例子中：

C=81.6×3.14=256.22

最后一步是将传感器所记录的数据-S转换成轮子运动的距离-T，使用下面等式：

T=S×C/I

如果光电传感器读取的数值为296，你可以计算出相应的距离：

T=296×256.22/48=1580距离（T）的单位与轮子直径单位是相同的.

无接触角度传感器

无触点角度传感器，又称无接触电位器，广泛应用于工业自动化设备、工程机械、纺织机械、造纸印刷机械、石化设备、国防工业等自动控制设备的水平和旋转角度的测量，也适用于拉丝机等作张力传感器。

方位角度传感器

方位角又称地平经度，是在平面上量度物体之间的角度差的方法之一。传感器测量方位角是从某点的指北方向线起，依顺时针方向到目标方向线之间的水平夹角，是一种两面角，即午圈所在的平面与通过天体所在的地平经圈平面的夹角，以午圈所在的平面为起始面，按顺时针方向度量。方位的度量亦可在地平圈上进行，以南点为起算点，由南点开始按顺时针方向计量。方位的大小变化范围为0°～360°，南点为0°，西点为90°，北点为180°，东点为270°。上述这种方位度量是在天文学中所用的方法。

方位角传感器在跟随着军事技术的发展，有着高科技作战的性能。传感器测试系统的信息化是实现中国军队装备现代化建设主要途径，当务之急应该用高新技术提升老装备的性能。这既是提升现有武器装备的一个重要环节，又是最大限度地发挥现有装备整体作战效能的一个重要因素。我国现役的炮塔方位角系统中．老型号较多，大部分没有配备自动检测和录取设备。炮塔方位角系统的各种参数的计算、数据的处理和上报大多数由人工进行，难以胜任复杂环境下快速、准确采集。为适应现代化炮塔方位角系统的要求，必须具有一套自动采集和分析能力的完整测试系统。

应用领域

在程序不仅仅会用到乘法和除法的数学运算，还有更多的需要多留心（有关内容我们将在第12章进行进一步的讨论）。

使用角度传感器来控制你的轮子可以间接的发现障碍物。原理非常简单：如果马达

运转，而齿轮不转，说明你的机器已经被障碍物给挡住了。此技术使用起来非常简单，而且非常有效；唯一要求就是运动的轮子不能在地板上打滑（或者说打滑次数太多），否则你将无法检测到障碍物。

如果是一个空转的齿轮连接到马达上就可以避免这个问题，这个轮子不是由马达驱动而是通过装置的运动带动它：在驱动轮旋转的过程中，如果惰轮停止了，说明你碰到障碍物了。

在许多情况下角度传感器是非常有用的：控制手臂，头部和其它可移动部位的位置。值的注意的是，当运行速度太慢或太快时，RCX在精确的检测和计数方面会受到影响。事实上，问题并不是出在RCX身上，而是它的操作系统，如果速度超出了其指定范围，RCX就会丢失一些数据。Steve Baker用实验证明过，转速在每分钟50到300转之间是一个比较合适的范围，在此之内不会有数据丢失的问题。然而，在低于12rpm或超过1400rpm的范围内，就会有部分数据出现丢失的问题。而在12rpm至50rpm或者300rpm至1400rpm的范围内时，RCX也偶会出现数据丢失的问题。

大家熟知的火炮是利用火药燃气压力等能源抛射弹丸，口径等于和大于20毫米的身管射击武器。火炮通常由炮身和炮架两大部分组成。早在1332年，中国的元朝就在部队中装备了最早的金属身管火炮：青铜火铳。火炮通常由炮身和炮架两大部分组成。火炮射击时对炮床倾角的要求很高，利用角度传感器设计的数字式象限仪，可明显提高校正炮床的速度，降低操作难度。

角度传感器是作为炮弹发射的准确性，稳定性提供最大的帮助。大家都知道火炮身管用来赋予弹丸初速和飞行方向，炮尾用来装填炮弹，炮闩用以关闭炮膛，击发炮弹。如今炮架由反后坐装置、方向机、高低机、瞄准装置、大架和运动体，角度传感器等组成，而反后坐装置用以保证火炮发射炮弹后的复位，方向机和高低机用来保证火炮发射炮弹后复位，方向机和高低机用来操纵炮身变换方向和高低，瞄准装置由角度传感器，瞄准具和瞄准镜组成，用以装定火炮射击数据，实施瞄准射击，大架和运动体用于射击时支撑火炮，行军时作为炮车。

应用场合

系列倾角，角度传感器，距离传感器，加速度传感器，以及测量方位用的数字罗盘，电子罗盘和陀螺仪已经广泛的应用应用于石油，煤炭，钢铁，船舶，隧道，医疗设备，大坝，机械，物探仪器，地质，岩土，石油，矿山，管道，测斜导管，铁路、港口、水利、高层建筑，墙洞，矿井、隧道、船坞、抗滑桩和板桩，煤矿，动态冲击实验，地质，卫星GPS系统，风水，越野车，航海，实验仪器，数字水平仪，医疗，机械调平，角度测量和监视，汽车，起重机械运动检测，康复系统，生物工程系统，虚拟现实、现实放大，体育，惯性导航系统，人体姿态测量工业机械，摩托车陀螺仪，光纤，制导，平衡，导向，方向测量，动态跟踪，捷联，惯性，导航，方位角，角速度，速率，机械，爆转，测量等行业。

地理:山体滑坡，雪崩.

民用:大坝，建筑，桥梁，玩具，报警，运输

工业：吊车，吊架，收割机，起重机，称重系统的倾斜补偿，沥青机．铺路机等。

火车：高速列车转向架和客车车厢的倾斜测量

海事：纵倾和横滚控制，油轮控制，天线位置控制。

钻井：精确钻井倾斜控制。

机械：倾斜控制，大型机械对准控制，弯曲控制，起重机

军用：火炮和雷达调整，初始位置控制，导航系统，军用着陆平台控制。

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知识积累 监控摄像机角度范围如何确定？

网络摄像头的监视范围要如何计算？下面是某位学霸安防技术员给出的计算方法：

主要参数：

1、图像传感器：1/2.7'' 200万像素逐行扫描CMOS；

2、焦距：3.3mm~12mm；

3、视角范围：

96°~35°(16:9) 79.3°~27.2°(4:3)

咱们就拿这个摄像机来说说，镜头与场景之间的那些关系。

主要测试安装环境如下：

半球摄像机安装高度为：H=3m，走廊的宽度W为：2m；

摄像机镜头的安装角度为0°(即镜头水平)；

监视器显示比例：4:3，摄像机模式设置为：4:3；

主要监视目标W'*H'=2m宽*3米高的完整走廊范围。

既然是算法，肯定有计算依据喽：

计算公式水平视场角：α=2arctan(w/2f)、

垂直视场角：β=2arctan(h/2f)，

其中w为视场宽度，h为视场高度，f为镜头的焦距。

虽然通过计算而出来的视场角比实际视场小一点，但差别可以忽略。这里我们以计算的视场角来描述摄像机的监控范围。

1/2.7''CMOS成像尺寸为：

w*h=5.27mm*3.96mm。

于是乎通过计算我们得出：

焦距为3.3mm时：

水平视场角：α1=2arctan(5.27mm/2*3.3mm)=77.2°

垂直视场角：β1=2arctan(3.96mm/2*3.3mm)=61.9°

①垂直方向上，能看到完整走廊的最小距离(距离摄像机的水平距离)为：dvmin=H/tan(β1/2)=3000mm/tan(61.9°/2) =5000mm=5米;

② 水平方向上，能看到完整走廊的最小距离(距离摄像机的水平距离)为：

dhmin=W/2*tan(α1/2)=2000mm/2*tan(77.2°/2)=1253mm=1.25米。

由于dvmin>dhmin，因此，焦距为3.3mm时，监控范围为距离摄像机监控方向5米以外的走廊区域。

焦距为12mm时：

水平视场角：α2=2arctan(5.27mm/2*12mm)=24.8°

垂直视场角：β2:=2arctan(3.96mm/2*12mm)=18.7°

①垂直方向上，能看到完整走廊的最小距离(距离摄像机的水平距离)为：

dvmin'=H/tan(β2/2)=3000mm/tan(18.7°/2)=18220mm≈18米；

②水平方向上，能看到完整走廊的最小距离(距离摄像机的水平距离)为：

dhmin'=W/2*tan(α2/2)=2000mm/2*tan(24.8°/2)=4548mm≈4.5米；

由于dvmin'

以上算法是根据了，摄像机镜头为水平角度，如果这么安装的话，一半图像就是天花板了。所以很少出现这种状况，而大部分都是摄像机镜头向下倾斜，偏移水平角度。

那么咱们再算一下下倾角为其垂直视场角一半的情况下的监控范围，这是在摄像机安装高度及监控对象高度相同的情况下最大的下倾角。

(1)焦距为3.3mm时：

①垂直方向上，能看到完整走廊的最小距离(距离摄像机的水平距离)为：

dvmin=H/tanβ1=3000mm/tan61.9°≈1.6米

②水平方向上，视场角可近似认为不变，dhmin仍为1.25米。

由于dvmin>dhmin,焦距为3.3mm时，监控范围为距离摄像机监控方向1.6米以外的走廊区域。

(2)焦距为12mm时：

①垂直方向上，能看到完整走廊的最小距离(距离摄像机的水平距离)为：dvmin=H/tanβ2=3000mm/tan18.7°≈8.86米

②水平方向上，视场角也可认为近似不变，dhmin'仍为4.5米；

由于dvmin'>dhmin',焦距为12mm时，监控范围为距离摄像机监控方向8.86米以外的走廊区域。

总结：

不知大家是否看明白了，其实不管计算方式与方法，目的都是一个，要监视区域视场要与摄像机镜头的选择进行匹配。我们一定要记得下面这张图！

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