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        自動(dòng)平衡裝置的設(shè)計(jì)與研制

        2016-05-14 09:08:13王淑琴陳瓊偉趙彥坤喬治
        關(guān)鍵詞:自動(dòng)智能

        王淑琴 陳瓊偉 趙彥坤 喬治

        摘 要:為了防止貴重物品在交通運(yùn)輸過程中顛簸晃動(dòng),保持物品的完好性,研究設(shè)計(jì)了一種能夠隨物體擺動(dòng)而進(jìn)行調(diào)整角度使物體保持平衡穩(wěn)定的自動(dòng)平衡裝置,該裝置利用脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置進(jìn)行控制,在負(fù)載范圍內(nèi)通過運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、校準(zhǔn)精度高、響應(yīng)速度快和工作性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。

        關(guān)鍵詞:自動(dòng);平衡儀裝置;智能

        中圖分類號(hào):TH13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        在互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代,交通運(yùn)輸便利程度日漸提升,人們對(duì)物品運(yùn)輸范圍的需求不斷擴(kuò)大,同時(shí)也對(duì)運(yùn)輸線上物品的完好率提出了越來越高的要求,特別是對(duì)于一些精、貴物品的運(yùn)輸更是如此。為滿足在交通運(yùn)輸上使特定物品保持平衡穩(wěn)定狀態(tài)的特殊要求,在非超載的條件下,利用步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù),而不受負(fù)載變化的影響,通過運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制,研究設(shè)計(jì)了一種能夠隨物體擺動(dòng)而進(jìn)行調(diào)整角度使物體保持平衡穩(wěn)定的自動(dòng)平衡儀器,本文對(duì)該自動(dòng)平衡儀器的設(shè)計(jì)原理以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述和說明。

        1 裝置的設(shè)計(jì)原理及硬件構(gòu)成

        1.1 二維自動(dòng)平衡儀設(shè)計(jì)原理

        當(dāng)構(gòu)件產(chǎn)生晃動(dòng)時(shí),由陀螺儀產(chǎn)生模擬數(shù)學(xué)信號(hào)傳給步進(jìn)電機(jī)控制單元主板,運(yùn)動(dòng)控制單元將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,之后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度,最終將預(yù)定的控制方案、指令轉(zhuǎn)變?yōu)槠谕臋C(jī)械運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)精確地位置控制、速度控制以及加速度和力的控制。根據(jù)X軸(底座下的電機(jī))和Y軸(平臺(tái)下的電機(jī))的實(shí)際傾角,實(shí)時(shí)調(diào)整X軸和Y軸的位置,最終控制兩軸的姿態(tài)平衡。

        1.2 硬件構(gòu)成

        (1)陀螺儀傳感器

        設(shè)計(jì)中陀螺儀傳感器選用MPU6050,其為整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器,它集成了3軸MEMS陀螺儀,3軸MEMS加速度計(jì),以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP,可用I2C接口連接一個(gè)第三方的數(shù)字傳感器。為了精確跟蹤快速和慢速的運(yùn)動(dòng),傳感器的測(cè)量范圍都是用戶可控的,陀螺儀可測(cè)范圍為±250,±500,±1000,±2000°/秒(dps),加速度計(jì)可測(cè)范圍為±2,±4,±8,±16g。一個(gè)片上1024字節(jié)的FIFO,有助于降低系統(tǒng)功耗。和所有設(shè)備寄存器之間的通信采用400kHz的I2C接口或1MHz的SPI接口(SPI僅MPU-6000可用)。對(duì)于需要高速傳輸?shù)膽?yīng)用,對(duì)寄存器的讀取和中斷可用20MHz的SPI。另外,片上還內(nèi)嵌了一個(gè)溫度傳感器和在工作環(huán)境下僅有±1%變動(dòng)的振蕩器。相較于多組件方案,免除了組合陀螺儀與加速器時(shí)之軸間差的問題,減少了大量的包裝空間。

        (2)主處理器

        其功能在于每隔10ms讀取MPU6050陀螺儀的三軸的加速度,配合姿態(tài)解算器,運(yùn)用動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波算法,準(zhǔn)確解算出X軸和Y軸的傾角。姿態(tài)測(cè)量精度為0.01°。

        (3)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

        步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào),它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”),它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的??梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速和定位的目的。

        (4)步進(jìn)電機(jī)

        是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下,電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù),而不受負(fù)載變化的影響,當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào),它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。

        系統(tǒng)根據(jù)X軸和Y軸的實(shí)際傾角,實(shí)時(shí)調(diào)整X軸和Y軸的位置,最終控制兩軸的姿態(tài)平衡。

        2 裝置的基本結(jié)構(gòu)

        在底板上方安裝有基本框架1,在所述的框架1內(nèi)沿著框架1的一個(gè)對(duì)稱軸方向安裝有第一轉(zhuǎn)軸,在所述第一轉(zhuǎn)軸上安裝有穩(wěn)定平臺(tái)8,沿著所述框架1的另一個(gè)對(duì)稱軸方向上連接有第二轉(zhuǎn)軸,所述第二轉(zhuǎn)軸軸線與第一轉(zhuǎn)軸軸線垂直;在底板上安裝有陀螺儀傳感器和步進(jìn)電機(jī)(此處稱為第二步進(jìn)電機(jī)),所述的第二步進(jìn)電機(jī)的輸出軸通過同步輪、同步帶與第二轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)帶輪相連。在所述的框架1上安裝有第一步進(jìn)電機(jī),其輸出軸通過帶輪與第一轉(zhuǎn)軸上安裝的帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)相連,兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)5分別與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器6相連。當(dāng)?shù)装鍢?gòu)件產(chǎn)生晃動(dòng)時(shí),由陀螺儀產(chǎn)生的模擬數(shù)字信號(hào)傳輸給步進(jìn)電機(jī)控制單元2,運(yùn)動(dòng)控制單元將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)輸出給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,接收到脈沖信號(hào)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器隨之驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度,最終將預(yù)定的控制指令轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)期的機(jī)械運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)精確的位置、速度、加速度和力的控制,確保在穩(wěn)定平臺(tái)8上的物品能實(shí)現(xiàn)二維自動(dòng)平衡。

        結(jié)語

        本自動(dòng)平衡裝置在初步設(shè)計(jì)機(jī)械穩(wěn)定平臺(tái)基礎(chǔ)上,利用陀螺儀和步進(jìn)電機(jī)特性研制的一種穩(wěn)定、可靠的運(yùn)輸穩(wěn)定平臺(tái)裝置,其理論測(cè)試誤差率極小,該裝置具有在晃動(dòng)的環(huán)境中保持承載物平衡的特點(diǎn),為降低物品運(yùn)輸破損率、提高自身智能化保護(hù)功能提供了理論基礎(chǔ)和依據(jù),在軍艦、輪船、飛機(jī)等交通工具載運(yùn)重要物品及儀器方面具有重要意義;在醫(yī)療救護(hù)方面,可利用其構(gòu)造原理研制成具有平衡功能的擔(dān)架,用于轉(zhuǎn)移和運(yùn)送傷員,對(duì)保持傷員姿態(tài)平穩(wěn)、避免其受到顛簸中的二次傷害具有一定的保護(hù)作用。

        參考文獻(xiàn)

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