摘 要：全自動(dòng)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)平臺(tái)由傳感器、單片機(jī)、電源、驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)以及機(jī)械結(jié)構(gòu)等六部分組成?？蓪?shí)現(xiàn)水平傾角測(cè)量并自動(dòng)將平臺(tái)調(diào)節(jié)到水平狀態(tài)，從而為一些需要水平環(huán)境的測(cè)量設(shè)備和場(chǎng)合提供服務(wù)。本品有兩大特點(diǎn)，一是誤差在0.1°以?xún)?nèi)，二是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力強(qiáng)。即作品可以在劇烈震動(dòng)的環(huán)境中保證平臺(tái)在各個(gè)維度的平衡，同時(shí)又能保證較高的精確度。本作品具有方便、易操作、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。而其自動(dòng)校準(zhǔn)功能，則可極大地提高工作效率。

關(guān)鍵詞：平衡臺(tái)； 陀螺儀； 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)； 卡爾曼濾波； PID控制

1創(chuàng)意介紹

在地形勘探領(lǐng)域的測(cè)量、建筑工地領(lǐng)域的水平校準(zhǔn)、航空拍攝時(shí)，攝像機(jī)等都需要保證在水平且穩(wěn)定的工作狀態(tài)。目前，這些場(chǎng)合往往是使用水平儀來(lái)測(cè)量?jī)A斜狀態(tài)，并手動(dòng)調(diào)整設(shè)備的平衡。為提高工作效率，本文研制了此項(xiàng)可以完全自主測(cè)量，并且可以自動(dòng)將設(shè)備調(diào)節(jié)到水平狀態(tài)的儀器，不僅如此，作品在精度和響應(yīng)速度上均達(dá)到先進(jìn)的水平，且具有極強(qiáng)的適應(yīng)性，可以滿(mǎn)足更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。

本作品機(jī)械結(jié)構(gòu)分為底座和平臺(tái)兩大部分，把需要水平環(huán)境的設(shè)備安置在平臺(tái)上，無(wú)論怎樣晃動(dòng)，設(shè)備始終保持在水平狀態(tài)。本系統(tǒng)以LM3S615 （Cortex-M3）為控制器，通過(guò)加速計(jì)、陀螺儀和磁場(chǎng)傳感器感知平臺(tái)的狀態(tài)，然后通過(guò)控制三個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)控制平臺(tái)的三個(gè)維度。其中x、y軸控制平臺(tái)的水平狀態(tài)，z軸控制平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，從而在保證平臺(tái)水平的基礎(chǔ)上控制平臺(tái)不受環(huán)境旋轉(zhuǎn)的影響而保持原方向不變。另外，通過(guò)上位機(jī)可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊對(duì)水平儀進(jìn)行離線(xiàn)操作，允許把平臺(tái)調(diào)節(jié)到任意傾斜狀態(tài)，而水平臺(tái)仍然具有抗震動(dòng)能力，始終維持在設(shè)定的傾斜狀態(tài)。也可以通過(guò)上位機(jī)對(duì)水平儀進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。這使得本作品的應(yīng)用領(lǐng)域大大拓廣，可用在軍事、宇航、生產(chǎn)等領(lǐng)域。

1.1基本功能

平臺(tái)可以設(shè)置為水平或任意傾斜狀態(tài)，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生起伏、搖擺或轉(zhuǎn)動(dòng)等干擾時(shí)，平臺(tái)可以始終保持在設(shè)定狀態(tài)。把需要水平狀態(tài)的設(shè)備安置在平臺(tái)上，平臺(tái)即為設(shè)備提供水平狀態(tài)，設(shè)備保持水平。 圖1所示是該平臺(tái)的基本原理圖。

圖1平臺(tái)基本原理圖

1.2拓展功能

本產(chǎn)品的擴(kuò)展功能可以通過(guò)圖2這款軟件控制平臺(tái)的狀態(tài)來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。具體如下：

圖2操控軟件

擴(kuò)展功能一：通過(guò)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)旋鈕，來(lái)調(diào)節(jié)平臺(tái)三個(gè)自由度的角度；

擴(kuò)展功能二：可以通過(guò)電腦輸入x，y，z軸的數(shù)值，把平臺(tái)設(shè)置成任意傾斜狀態(tài)；

擴(kuò)展功能三：配套軟件可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)平衡臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

我們通過(guò)軟件將平臺(tái)調(diào)至任意傾斜角度，當(dāng)平臺(tái)所處的環(huán)境發(fā)生震動(dòng)、傾斜、轉(zhuǎn)動(dòng)等干擾時(shí)，平臺(tái)依然保持設(shè)定狀態(tài)。

2技術(shù)原理

2.1微處理器

系統(tǒng)以LM3S615為控制器，Luminary Micro公司的 Stellaris 可提供一系列的微控制器。LM3S615是首款基于ARM Cortex-M3的控制器。

2.2傳感器

此系統(tǒng)使用MPU-6050和HM5883L作為傳感器。MPU-6050如圖3所示，它封裝了陀螺儀和加速器，可用于測(cè)量水平臺(tái)的傾斜狀態(tài)。

MPU-6050為全球首例整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時(shí)之軸間差的問(wèn)題，減少了大量的包裝空間。MPU-6000整合了3軸陀螺儀、3軸加速器，并含可藉由第二個(gè)I2C端口連接其他廠牌之加速器、磁力傳感器、或其他傳感器的數(shù)位運(yùn)動(dòng)處理（Digital Motion Processor，DMP）硬件加速引擎，由主要I2C端口以單一數(shù)據(jù)流的形式，向應(yīng)用端輸出完整的9軸融合演算技術(shù)。

圖4所示的HMC5883L磁強(qiáng)計(jì)可用于測(cè)量平臺(tái)的方向，為系統(tǒng)控制平臺(tái)保持原方向提供數(shù)據(jù)。HMC5883L 采用霍尼韋爾各向異性磁阻（AMR）技術(shù)，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是其他傳感器技術(shù)所無(wú)法企及的。這些各向異性傳感器具有在軸向高靈敏度和線(xiàn)性高精度的特點(diǎn)。傳感器帶有的對(duì)于正交軸低敏感行的固相結(jié)構(gòu)能用于測(cè)量地球磁場(chǎng)的方向和大小，其測(cè)量范圍從毫高斯到 8 高斯（gauss）。霍尼韋爾的磁傳感器在低磁場(chǎng)傳感器行業(yè)中是靈敏度最高和可靠性最好的傳感器。

圖3MPU6050 圖4HMC5883L

2.3TA8435三軸驅(qū)動(dòng)器及步進(jìn)電機(jī)

本設(shè)計(jì)采用脈寬調(diào)制式斬波驅(qū)動(dòng)方式，運(yùn)用TA8435H步進(jìn)電機(jī)專(zhuān)用芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)模塊。模塊中TA8435H芯片將來(lái)自MCU等控制器的單一脈沖信號(hào)進(jìn)行脈沖分配，并在芯片內(nèi)部提高驅(qū)動(dòng)能力，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。由單片機(jī)產(chǎn)生脈沖，經(jīng)TA8435H專(zhuān)用芯片進(jìn)行脈沖分配和功率放大后，將脈沖信號(hào)輸入步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

圖5方案框圖

使用細(xì)分方式，能很好地解決步進(jìn)電機(jī)在低頻工作時(shí)，振動(dòng)大、噪聲大的問(wèn)題。圖6所示為驅(qū)動(dòng)電路原理圖。

2.4無(wú)線(xiàn)通信模塊

本系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信模塊采用 ZM2410P0，如圖7所示。

圖7ZM2410P0

系統(tǒng)使用兩個(gè)收發(fā)模塊，一個(gè)直接連到電腦上，另一個(gè)安置在本作品中，實(shí)現(xiàn)電腦操控軟件與平衡儀之間的通信任務(wù)。圖8所示為本模塊使用的電路連接圖。

2.5操控軟件

在電腦上運(yùn)行此軟件，則上位機(jī)通過(guò)2410無(wú)線(xiàn)模塊和水平儀進(jìn)行通信，通過(guò)旋轉(zhuǎn)旋鈕，可以任意改變平臺(tái)的傾斜角度。也可以通過(guò)數(shù)字輸入的方式來(lái)調(diào)節(jié)平臺(tái)的傾斜角度。同時(shí)，平衡儀任然具有自恢復(fù)性，即無(wú)論怎樣晃動(dòng)，平臺(tái)始終保持在設(shè)定的狀態(tài)。

而且，本軟件具有聯(lián)網(wǎng)功能，把一臺(tái)電腦作為服務(wù)器，運(yùn)行本軟件。那么任何地方都可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)該服務(wù)器，并控制本軟件，這就實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制功能。這一功能，將大大拓展本作品的應(yīng)用領(lǐng)域。

本軟件使用LabVIEW編寫(xiě)。LabVIEW程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，類(lèi)似于C和BASIC開(kāi)發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。本軟件的程序如圖9所示。

2.6功能與指標(biāo)

本平臺(tái)的理論角度偏差為0.01°，由于電機(jī)精度等因素，實(shí)際偏差0.1°左右。響應(yīng)時(shí)間為10 ms。

2.7程序流程

本系統(tǒng)使用卡爾曼濾波算法，可保證作品的角度測(cè)量精度，也對(duì)PID控制提供支持，使本作品兼有高精度和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。

圖9上位機(jī)軟件程序

3作品創(chuàng)新點(diǎn)和應(yīng)用市場(chǎng)

3.1 作品創(chuàng)造性

（1）動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅捷，平臺(tái)自適應(yīng)能力極強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度為10 ms，從而保證平臺(tái)在震動(dòng)環(huán)境下實(shí)時(shí)地穩(wěn)定在設(shè)定狀態(tài)。

（2）靜態(tài)性能穩(wěn)定，在靜態(tài)的環(huán)境下，控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)的保證平臺(tái)紋絲不動(dòng)。

（3）平臺(tái)的理論角度偏差為0.01°，由于電機(jī)精度等因素的限制，實(shí)際偏差0.1°以?xún)?nèi)。

（4）系統(tǒng)在三個(gè)相互垂直的自由度上控制平臺(tái)的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)了全方位的靈活控制功能。

（5）作品具有無(wú)線(xiàn)控制和遠(yuǎn)程控制功能。通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)裝置，電腦可通過(guò)上位機(jī)對(duì)平臺(tái)的姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，遠(yuǎn)程用戶(hù)可以通過(guò)服務(wù)器間接控制平臺(tái)的狀態(tài)。

本作品高性能、多功能的特點(diǎn)使它可以應(yīng)用到更為高端和更廣泛的領(lǐng)域。

3.2應(yīng)用前景與市場(chǎng)預(yù)測(cè)

本作品可應(yīng)用在軍事、宇航、生產(chǎn)生活等領(lǐng)域。例如在平臺(tái)上加上垂直激光，則可以作為空間尺度的校準(zhǔn)；在軍事上，則可以作為導(dǎo)彈的發(fā)射底座，這樣就可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)狀態(tài)下的炮彈發(fā)射，不會(huì)因?yàn)榘l(fā)射車(chē)的顛簸而影響炮彈的準(zhǔn)確性，具有極高的戰(zhàn)略意義。作品有極高的應(yīng)用價(jià)值，而市場(chǎng)上并未出現(xiàn)相關(guān)的通用性產(chǎn)品，因此本作品具有很大的市場(chǎng)潛力。