本发明公开了一种用于六维力传感器的信号处理系统，信号放大模块用于对六维力传感器的六组惠斯通电桥的差分输出信号进行放大，并输出放大后的六路模拟信号；信号采集模块对信号放大模块输出的六路模拟信号进行采集，并转化为数字信号，送入数据处理模块；数据处理模块对信号采集模块采集的数据进行处理，并送入信号传输模块；信号传输模块将六维力传感器解耦后的力/力矩值或者未解耦的模拟电压值发送到对应的上位机；供电模块为所有模块供电。本发明对六维力传感器的模拟输出信号在六维力传感器内进行了处理，使其直接输出数字信号，避免了传输过程对六维力传感器的输出的干扰，同时省去了上位机与传感器间的采集卡采集环节。
1.一种用于六维力传感器的信号处理系统，其特征在于，包括信号放大模块、信号采集模块、数据处理模块、信号传输模块以及供电模块，其中，信号放大模块用于对六维力传感器的六组惠斯通电桥的差分输出信号进行放大，并输出放大后的六路模拟信号；信号采集模块对信号放大模块输出的六路模拟信号进行采集，并转化为数字信号，送入数据处理模块；数据处理模块对信号采集模块采集的数据进行处理，并送入信号传输模块；信号传输模块将六维力传感器解耦后的力/力矩值或者未解耦的模拟电压值发送到对应的上位机；供电模块为信号放大模块、信号采集模块、数据处理模块和信号传输模块供电。
2.根据权利要求1所述的一种用于六维力传感器的信号处理系统，其特征在于，所述信号处理系统的主控芯片为STM32F103ZET6单片机平台。
3.根据权利要求2所述的一种用于六维力传感器的信号处理系统，其特征在于，信号放大模块采用两级放大方式，第一级放大采用六块单片放大器放大，分别放大对应于Ff,Fy,Fz,Mx,My,Mz方向惠斯通电桥的电压信号，第一级放大使用仪用放大器AD620；第二级放大采用程控放大器AD603，程控放大器增益调节原则是送入信号采集模块的六路电压信号的满量程值保持在9V左右，调节方法为根据信号采集模块采集的实时满量程电压值，与期望值即±9V进行比较，使用STM32F103ZET6自带的DAC产生-0.5～0.5V的控制电压，实现对AD603程控放大器放大倍数的调节。
4.根据权利要求2所述的一种用于六维力传感器的信号处理系统，其特征在于，信号采集模块采用16位模数转换器AD7606，信号采集模块具有6路同步采样输入功能，A/D采样率达200KSPS，主控芯片STM32F103ZET6通过定时中断，在中断中利用串口查询AD7606采集进度，并在采集完毕时开启SPI时序进行六维力传感器的电压信号的采集。
5.根据权利要求2所述的一种用于六维力传感器的信号处理系统，其特征在于，数据处理模块首先对连续采集的10组六路电压信号进行数字滤波，数字滤波采用IIR无限脉冲响应低通滤波器。
6.根据权利要求5所述的一种用于六维力传感器的信号处理系统，其特征在于，数据处理模块中包括一个单刀双掷开关，用来选择数据处理模块的工作模式，当六维力传感器处于标定模式时，上位机需要使用六维力传感器直接输出的电压值，因此数据处理模块会直接将数字滤波后的电压值送入信号传输模块；当六维力传感器标定与解耦完毕后，处于正常工作模式时，数据处理模块会将数字滤波后的电压值代入解耦矩阵中，将解耦完毕后的六维力传感器测得的力/力矩值传入信号传输模块；数据处理模块使用的解耦算法为阶梯优化型基于耦合和分段拟合建模的多维力传感器解耦算法。
7.根据权利要求2所述的一种用于六维力传感器的信号处理系统，其特征在于，信号传输模块使用ALK8266WIFI模块，信号传输模块工作在站点模式，与上位机使用TCP/IP协议进行通讯，各六维力传感器上的WIFI模块作为客户端，上位机作为服务器端，信号传输模块与上位机的通讯流程为：首先六维力传感器内的8266WIFI模块会自动连入上位机所在的局域网内，等待上位机开启端口监听，随后上位机根据六维力传感器的数量建立若干个socket套接字，开始监听若干个固定的端口，各六维力传感器的WIFI模块在上位机网络端口开启后，就会通过上位机的内网IP和相应端口号，与六维力传感器的信号传输模块建立TCP/IP通讯连接，并等待上位机发送控制指令。
8.根据权利要求7所述的一种用于六维力传感器的信号处理系统，其特征在于，上位机与多个六维力传感器建立连接后，通过对逐个传感器发送控制指令，控制其是否发送力/力矩数据，同时使用CRC码对传输的数据进行校验，若传输数据有误则重新发送，当某个传感器因损坏或者关闭电源而与上位机连接中断时，上位机将自动更新系统状态，关闭该Socket套接字。
9.根据权利要求2所述的一种用于六维力传感器的信号处理系统，其特征在于，供电模块本身由220V市电供电或者12V锂电池供电；当使用220V市电供电时，通过220V电源适配器将电压转化为12V直流电，当使用12V锂电池供电时，直接连接供电模块；供电模块上带有用于检测当前的输入电压的电压检测显示模块，电压检测显示模块中的DC-DC转换电路将电压转换为±12V直流电，为整个系统供电。
一种用于六维力传感器的信号处理系统
技术领域
[0001] 本发明涉及六维力传感器技术领域，具体为一种用于六维力传感器的信号处理系统。
背景技术
[0002] 力传感器根据测力的维度分，可以分为单维力传感器和多维力传感器。其中，多维力传感器是能够同时测得2个或2个以上力及力矩信息的力传感器，其中应用最广泛的是六维力传感器。
[0003] 在众多基于不同原理设计的六维力传感器中，电阻应变型六维力传感器的使用最为普遍，其力敏感原理是电阻应变效应，即当力施加在传感器的弹性梁上时，会引起弹性梁的微小形变，因此贴在弹性体上的电阻应变片也会发生一定的变形，从而引起应变片的电阻发生变化。通过测得弹性梁上各应变片的电阻变化，即可求得三维空间上的六维力/力矩。
[0004] 一般来说，弹性梁上的电阻应变片都会以惠斯通电桥的形式存在，每个力/力矩维度对应一组惠斯通电桥，因此六维力传感器共有6组惠斯通电桥。然而即使在传感器满量程力/力矩的作用下，每组惠斯通电桥的输出电压为毫伏级，不便于后续数据的处理，且模拟信号易受环境干扰，同时，随着六维力传感器的使用环境逐渐复杂，操作繁琐，接线困难也是制约其使用的一个重要问题。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于解决现有六维力传感器的模拟信号易受环境干扰、数据处理不便、接线困难的技术问题，而提出一种六维力传感器的信号处理系统，将信号处理系统安装在六维力传感器内，对六维力传感器受力后产生的模拟信号输出进行放大、采集、软件自解耦和无线传输，实现多个六维力传感器在没有数据采集卡的情况下，同时与上位机进行通信。、
[0006] 本发明通过以下技术方案实现：
[0007] 一种用于六维力传感器的信号处理系统，包括信号放大模块、信号采集模块、数据处理模块、信号传输模块以及供电模块，其中，信号放大模块用于对六维力传感器的六组惠斯通电桥的差分输出信号进行放大，并输出放大后的六路模拟信号；信号采集模块对信号放大模块输出的六路模拟信号进行采集，并转化为数字信号，送入数据处理模块；数据处理模块对信号采集模块采集的数据进行处理，并送入信号传输模块；信号传输模块将六维力传感器解耦后的力/力矩值或者未解耦的模拟电压值发送到对应的上位机；供电模块为信号放大模块、信号采集模块、数据处理模块和信号传输模块供电。
[0008] 本发明所述信号处理系统的主控芯片为STM32F103ZET6单片机平台。
[0009] 本发明中，信号放大模块采用两级放大方式，第一级放大采用六块单片放大器放大，分别放大对应于Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz方向惠斯通电桥的电压信号，第一级放大使用仪用放大器AD620；第二级放大采用程控放大器AD603，程控放大器增益调节原则是送入信号采集模块的六路电压信号的满量程值保持在9V左右，调节方法为根据信号采集模块采集的实时满量程电压值，与期望值即±9V进行比较，使用STM32F103ZET6自带的DAC产生-0.5～0.5V的控制电压，实现对AD603程控放大器放大倍数的调节。
[0010] 第一级放大使用高输入阻抗、高共模抑制比、高精度的仪用放大器，第二级放大采用程控放大器，仪用放大器和程控放大器的放大倍数可以由系统中主控芯片的单片机自由调节，以满足后续信号采集模块采集的要求。
[0011] 信号放大模块主要功能是对电阻应变型六维力传感器的六组惠斯通电桥的输出信号进行放大，使信号满足后续采集模块的性能要求。模块由供电模块供电，采用±12V直流供电方式，在信号放大模块加入了滤波以及电压异常报警功能，有效减少了电源纹波电压对六维力传感器的干扰，避免了因电源电压异常导致的采集数据异常。
[0012] 本发明中，信号采集模块采用16位模数转换器AD7606，信号采集模块具有6路同步采样输入功能，A/D采样率达200KSPS，主控芯片STM32F103ZET6通过定时中断，在中断中利用串口查询AD7606采集进度，并在采集完毕时开启SPI时序进行六维力传感器的电压信号的采集。
[0013] 本发明中，数据处理模块首先对连续采集的10组六路电压信号进行数字滤波，数字滤波采用IIR无限脉冲响应低通滤波器。
[0014] 本发明中，数据处理模块中包括一个单刀双掷开关，用来选择数据处理模块的工作模式，当六维力传感器处于标定模式时，上位机需要使用六维力传感器直接输出的电压值，因此数据处理模块会直接将数字滤波后的电压值送入信号传输模块；当六维力传感器标定与解耦完毕后，处于正常工作模式时，数据处理模块会将数字滤波后的电压值代入解耦矩阵中，将解耦完毕后的六维力传感器测得的力/力矩值传入信号传输模块；数据处理模块使用的解耦算法为阶梯优化型基于耦合和分段拟合建模的多维力传感器解耦算法。
[0015] 数据处理模块的功能首先是对信号采集模块的传入的六维力传感器电压数据进行数字滤波，然后判断传感器的工作模式，若传感器处于标定模式，则直接输出滤波后的电压值，并打包准备传输；若传感器处于正常使用模式，则将电压数据代入解耦矩阵中进行解耦，将六维力传感器输出的电压值直接转化为力/力矩输出值，并且打包准备传输。
[0016] 本发明中，信号传输模块使用ALK8266WIFI模块，信号传输模块工作在站点模式，与上位机使用TCP/IP协议进行通讯，各六维力传感器上的WIFI模块作为客户端，上位机作为服务器端，信号传输模块与上位机的通讯流程为：首先六维力传感器内的8266WIFI模块会自动连入上位机所在的局域网内，等待上位机开启端口监听，随后上位机根据六维力传感器的数量建立若干个socket套接字，开始监听若干个固定的端口，各六维力传感器的WIFI模块在上位机网络端口开启后，就会通过上位机的内网IP和相应端口号，与六维力传感器的信号传输模块建立TCP/IP通讯连接，并等待上位机发送控制指令。
[0017] 信号传输模块的主要功能是将解耦后六维力传感器的力/力矩输出值或者滤波后的电压值通过WIFI无线传输的方式发送到上位机，上位机与多个传感器之间构建多点系统，上位机作为主机，各个传感器作为从机。上位机通过发送带有传感器ID识别码的指令，控制各个传感器分时向主机发送测得的力/力矩值，实现多个传感器数据的同步采集。
[0018] 采用WIFI无线传输的方式，避免了传感器与上位机必须使用引线连接的问题，扩展了六维力传感器的使用环境，减轻了安装困难的问题。
[0019] 本发明中，上位机与多个六维力传感器建立连接后，通过对逐个传感器发送控制指令，控制其是否发送力/力矩数据，同时使用CRC码对传输的数据进行校验，若传输数据有误则重新发送，当某个传感器因损坏或者关闭电源而与上位机连接中断时，上位机将自动更新系统状态，关闭该Socket套接字。
[0020] 本发明中，供电模块本身由220V市电供电或者12V锂电池供电；当使用220V市电供电时，通过220V电源适配器将电压转化为12V直流电，当使用12V锂电池供电时，直接连接供电模块；供电模块上带有用于检测当前的输入电压的电压检测显示模块，电压检测显示模块中的DC-DC转换电路将电压转换为±12V直流电，为整个系统供电。
[0021] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0022] 本发明使六维力传感器采集的信号更加可靠，测量数据更加精确，使用不受环境约束，安装拆卸更加方便，并且实现多传感器的同时采集。
[0023] 本发明对六维力传感器的模拟输出信号在六维力传感器内进行了处理，使其直接输出数字信号，避免了传输过程对六维力传感器的输出的干扰，同时省去了上位机与传感器间的采集卡采集环节。
[0024] 本发明在系统内对六维力传感器的电压输出值进行了解耦计算，上位机直接接收解耦后的六维力传感器输出力/力矩值，使用更加方便。
[0025] 本发明系统可实现多传感器在不需要外接多通道数据采集卡的情况下，同时与上位机建立连接，并在上位机的控制下分时发送测得的力/力矩值，使得系统构建更加方便，传感器的使用数不受到其他设备的限制。
附图说明
[0026] 图1为整个系统原理结构图；
[0027] 图2为信号放大模块原理结构图；
[0028] 图3为信号放大模块滤波与电压异常报警电路图；
[0029] 图4为信号放大模块第一级放大电路图；
[0030] 图5为信号放大模块程控放大器工作原理图；
[0031] 图6为数据处理模块处理流程图；
[0032] 图7为传感器与上位机工作环境图；
[0033] 图8为多传感器与上位机建立连接流程图；
[0034] 图9为多传感器与上位机传输数据示意图；
[0035] 图10为供电模块原理示意图。
具体实施方式
[0036] 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。
[0037] 如图1为本发明实施例提供的用于六维力传感器的信号处理系统的原理框图。
[0038] 参照图1，本发明公开的一种用于六维力传感器的信号处理系统，系统包括信号放大模块、信号采集模块、数据处理模块、信号传输模块以及供电模块，其中，信号放大模块用于对六维力传感器的六组惠斯通电桥的差分输出信号进行放大，并输出放大后的六路模拟信号；信号采集模块对信号放大模块输出的六路模拟信号进行采集，并转化为数字信号，送入数据处理模块；数据处理模块对信号采集模块采集的数据进行处理，并送入信号传输模块；信号传输模块将六维力传感器解耦后的力/力矩值或者未解耦的模拟电压值发送到对应的上位机；供电模块为信号放大模块、信号采集模块、数据处理模块和信号传输模块供电。
[0039] 本发明公开的一种用于六维力传感器的信号处理系统是基于STM32F103ZET6单片机平台进行设计的。
[0040] 信号放大模块用于对六维力传感器的六组惠斯通电桥的差分输出信号进行放大，以满足后续信号采集模块的性能要求，信号放大模块的原理图可参照图2。
[0041] 信号放大模块由供电模块供电，采用±12V直流供电方式，并加入了电源滤波模块，去除电源纹波信号对电路的干扰，如图3所示，C301与C302是用于滤除高频信号的0.1μF瓷介电容，C303和C304是用于滤除低频波的钽电容。信号放大模块采用两级放大方式，第一级放大采用六块单片放大器放大，分别放大对应于Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz方向惠斯通电桥的电压信号，如图4所示为某一方向的第一级放大电路。使用高输入阻抗、高共模抑制比、高精度的仪用放大器AD620，放大倍数可以设置在100倍左右；第二级放大采用程控放大器AD603，实现增益可控。增益调节原则是送入信号采集模块的六路电压信号的满量程值保持在9V左右，从而尽可能提高传感器的灵敏度。调节方法为根据信号采集模块采集的实时满量程电压值，与期望值即±9V进行比较，使用STM32F103ZET6自带的DAC产生-0.5～0.5V的控制电压，实现对AD603程控放大器放大倍数的调节。STM32F103对程控放大器AD603的控制流程如图5所示。
[0042] 同时信号放大模块中包含了电压异常报警模块，主要用于防止输入电压异常导致的采集数据异常，电压异常报警模块由四个分压电阻组成，之间引出信号线与其他六路电压信号一同接入信号采集模块，通过采集分压后的电源电压信号，分析判断信号放大模块的供电电压是否出现了异常，其电路图如图3所示，图中R305至R308为分压电阻，VOLT1与VOLT2为送入信号采集模块的电源分压信号。
[0043] 信号采集模块对信号放大模块输出的六路模拟信号进行采集，并转化为数字信号，送入数据处理模块。信号采集模块采用16位模数转换器AD7606，信号采集模块具有6路同步采样输入功能，A/D采样率达200KSPS，主控芯片STM32F103ZET6通过定时中断，在中断中利用串口查询AD7606采集进度，并在采集完毕时开启SPI时序进行六维力传感器的电压信号的采集。
[0044] 数据处理模块会对信号采集模块采集的数据进行处理，首先对连续采集的10组六路电压信号进行数字滤波，滤除采集信号中的高频分量。采用IIR无限脉冲响应低通滤波器，阻带截止频率为300Hz，滤波器的系统函数和差分方程分别为：
[0045]
[0046] 数据处理模块中包括一个单刀双掷开关，用来选择数据处理模块的工作模式，当六维力传感器处于标定模式时，上位机需要使用六维力传感器直接输出的电压值，因此数据处理模块会直接将滤波后的电压值送入信号传输模块；当六维力传感器标定与解耦完毕后，处于正常工作模式时，数据处理模块会将滤波后的电压值代入解耦矩阵中，将解耦完毕后的六维力传感器测得的力/力矩值传入信号传输模块。
[0047] 六维力传感器的解耦是指通过软件算法，减少其维间耦合的过程。数据处理模块使用的解耦算法为阶梯优化型基于耦合和分段拟合建模的多维力传感器解耦算法。数据处理模块的解耦方式可用式(1)(2)表示。
[0048]
[0049]
[0050] 式中，U1至U6指传感器输出的第一到第六各方向的未解耦电压值，U’1至U’6指解耦后的第一到第六各方向电压值，D1至D6指的是各方向解耦后电压值乘以线性系数k’1至k’6后得到的各方向力/力矩值， 表示i方向力/力矩对j方向力/力矩电压分量的影响分量，为提高解耦的精度，对这些影响分量的正负值分别使用二次拟合，得到 的具体表达式。需要注意的是，第一到第六方向顺序不遵照Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz顺序，而是需要通过遍历解耦方向顺序的所有排列组合，以找到最适合该传感器的解耦顺序。
[0051] 信号传输模块会将六维力传感器解耦后的力/力矩值或者未解耦模拟电压值发送到对应的上位机。信号传输模块使用ALK8266WIFI模块，信号传输模块的无线传输速率在1M字节以上。信号传输模块工作在STA模式，即站点模式，与上位机使用TCP/IP协议进行通讯，各六维力传感器上的WIFI模块作为客户端，上位机作为服务器端，其工作环境如图7所示。
[0052] 信号传输模块与上位机的连接流程如图8所示，首先六维力传感器内的8266WIFI模块会自动连入上位机所在的局域网内，等待上位机开启端口监听，上位机会定时查询局域网内设备连接情况判断传感器是否都已连入局域网。若是，则上位机根据六维力传感器的数量建立若干个socket套接字，开始监听若干个固定的端口，各六维力传感器的WIFI模块在上位机网络端口开启后，就会通过上位机的内网IP和相应端口号，与六维力传感器的信号传输模块建立TCP/IP通讯连接，并等待上位机发送控制指令。
[0053] 上位机与六维力传感器间的数据收发方式如图9所示，上位机与多个六维力传感器建立连接后，通过对逐个传感器发送控制指令，控制其是否发送力/力矩数据，同时使用CRC码对传输的数据进行校验，若传输数据有误则重新发送，从而实现对多个传感器数据的同步无线无差错采集。当某个传感器因损坏或者关闭电源而与上位机连接中断时，上位机将自动更新系统状态，关闭该Socket套接字，提高系统运行效率。
[0054] 供电模块为上述所有模块供电，其本身可由220V市电供电，或者12V锂电池供电，其原理图如图10所示。当使用220V市电供电时，需要通过220V电源适配器将电压转化为12V直流电，而使用12V锂电池供电时，可直接连接供电模块。供电模块上带有电压检测显示模块，用于检测当前的输入电压，然后模块中的DC-DC转换电路转换为±12V直流电，以用于整个系统的供电需求。
