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輸過程中顛簸晃動，保持物品的完好性，研究設(shè)計了一種能夠隨物體擺動而進行調(diào)整角度使物體保持平衡穩(wěn)定的自動平衡裝置，該裝置利用脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)對步進電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置進行控制，在負(fù)載范圍內(nèi)通過運動控制系統(tǒng)將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機械運動，實現(xiàn)自動機械運動精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、校準(zhǔn)精度高、響應(yīng)速度快和工作性能穩(wěn)定的特點。

關(guān)鍵詞：自動；平衡儀裝置；智能

中圖分類號：TH13 文獻標(biāo)識碼：A

在互聯(lián)網(wǎng)+時代，交通運輸便利程度日漸提升，人們對物品運輸范圍的需求不斷擴大，同時也對運輸線上物品的完好率提出了越來越高的要求，特別是對于一些精、貴物品的運輸更是如此。為滿足在交通運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，利用步進電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，通過運動控制系統(tǒng)將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機械運動，實現(xiàn)自動機械運動精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制，研究設(shè)計了一種能夠隨物體擺動而進行調(diào)整角度使物體保持平衡穩(wěn)定的自動平衡儀器，本文對該自動平衡儀器的設(shè)計原理以及結(jié)構(gòu)進行闡述和說明。

1 裝置的設(shè)計原理及硬件構(gòu)成

1.1 二維自動平衡儀設(shè)計原理

當(dāng)構(gòu)件產(chǎn)生晃動時，由陀螺儀產(chǎn)生模擬數(shù)學(xué)信號傳給步進電機控制單元主板，運動控制單元將模擬信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號給步進電機驅(qū)動器，之后驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，最終將預(yù)定的控制方案、指令轉(zhuǎn)變?yōu)槠谕臋C械運動，實現(xiàn)機械運動精確地位置控制、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）和Y軸（平臺下的電機）的實際傾角，實時調(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)計中陀螺儀傳感器選用MPU6050，其為整合性6軸運動處理傳感器，它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計，以及一個可擴展的數(shù)字運動處理器DMP，可用I2C接口連接一個第三方的數(shù)字傳感器。為了精確跟蹤快速和慢速的運動，傳感器的測量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測范圍為±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度計可測范圍為±2，±4，±8，±16g。一個片上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）。對于需要高速傳輸?shù)膽?yīng)用，對寄存器的讀取和中斷可用20MHz的SPI。另外，片上還內(nèi)嵌了一個溫度傳感器和在工作環(huán)境下僅有±1%變動的振蕩器。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，運用動態(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)測量精度為0.01°。

（3）步進電機驅(qū)動器

步進電機驅(qū)動器是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速和定位的目的。

（4）步進電機

是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

系統(tǒng)根據(jù)X軸和Y軸的實際傾角，實時調(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的一個對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8，沿著所述框架1的另一個對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電機（此處稱為第二步進電機），所述的第二步進電機的輸出軸通過同步輪、同步帶與第二轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動帶輪相連。在所述的框架1上安裝有第一步進電機，其輸出軸通過帶輪與第一轉(zhuǎn)軸上安裝的帶輪轉(zhuǎn)動相連，兩臺步進電機5分別與步進電機驅(qū)動器6相連。當(dāng)?shù)装鍢?gòu)件產(chǎn)生晃動時，由陀螺儀產(chǎn)生的模擬數(shù)字信號傳輸給步進電機控制單元2，運動控制單元將模擬信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號輸出給步進電機驅(qū)動器，接收到脈沖信號的步進電機驅(qū)動器隨之驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，最終將預(yù)定的控制指令轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)期的機械運動從而實現(xiàn)精確的位置、速度、加速度和力的控制，確保在穩(wěn)定平臺8上的物品能實現(xiàn)二維自動平衡。

結(jié)語

本自動平衡裝置在初步設(shè)計機械穩(wěn)定平臺基礎(chǔ)上，利用陀螺儀和步進電機特性研制的一種穩(wěn)定、可靠的運輸穩(wěn)定平臺裝置，其理論測試誤差率極小，該裝置具有在晃動的環(huán)境中保持承載物平衡的特點，為降低物品運輸破損率、提高自身智能化保護功能提供了理論基礎(chǔ)和依據(jù)，在軍艦、輪船、飛機等交通工具載運重要物品及儀器方面具有重要意義；在醫(yī)療救護方面，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)移和運送傷員，對保持傷員姿態(tài)平穩(wěn)、避免其受到顛簸中的二次傷害具有一定的保護作用。

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