MEMS加速度傳感器的自動(dòng)校準(zhǔn)平臺(tái)

將電機(jī)軸設(shè)計(jì)為中空的螺母式結(jié)構(gòu)，支腳就是旋人其中的螺桿。平臺(tái)的支撐架由兩部分組成：電機(jī)和臺(tái)面構(gòu)成的整體、旋在電機(jī)軸內(nèi)的螺桿。螺母及其相連的內(nèi)筒固定不動(dòng)而螺桿旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)電機(jī)以及上面的平臺(tái)一起作直線運(yùn)動(dòng)。這種螺旋傳動(dòng)的方式將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的升降，并且能在任何高度自鎖。
如圖4所示，單片機(jī)收到加速度傳感器送來(lái)的傾角信息后，在實(shí)時(shí)顯示的同時(shí)按照預(yù)先設(shè)定的控制算法，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)軸的正反轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為支撐軸的上升和下降，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傾斜平面的調(diào)平。
3．3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
自動(dòng)校準(zhǔn)平臺(tái)的程序流程如圖5所示，其中最主要的部分是角度信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理以及電機(jī)的自動(dòng)控制。信號(hào)采集環(huán)節(jié)主要是完成傳感器與單片機(jī)之間的I2C串口通信；數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)包括正負(fù)角度值修正、傳感器輸出的線性化處理以及軟件濾波；電機(jī)控制環(huán)節(jié)包括快慢檔調(diào)節(jié)、零點(diǎn)鎖定和PID控制。

其中，電機(jī)控制與平臺(tái)調(diào)平直接相關(guān)。系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的傾角大小，在不同的傾角范圍采取不同的調(diào)平速度和調(diào)平精度。傾角較大時(shí)調(diào)平精度較粗，電機(jī)一次轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)較多，支撐軸的伸出速度越快，調(diào)平速度就越快；傾角小于低速閾值時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率降低，支撐軸的伸出速度變慢，使平臺(tái)形變和支腿伸出速度過(guò)快所帶來(lái)的不良影響得以減小，從而在整體上兼顧了調(diào)平速度和調(diào)平精度。
從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，考慮到當(dāng)基座調(diào)平完成后，平臺(tái)上的設(shè)備便開(kāi)始工作，如果該設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)，則必然導(dǎo)致基座不穩(wěn)定。若不加任何防范措施，其結(jié)果就是平臺(tái)上設(shè)備工作的同時(shí)基座繼續(xù)調(diào)平，這對(duì)于設(shè)備的正常運(yùn)行是非常不利的。特別當(dāng)其應(yīng)用于吊車(chē)、火炮等有較高穩(wěn)定性要求的調(diào)平場(chǎng)合時(shí)，上述情況是非常危險(xiǎn)的。因此，在原先的基礎(chǔ)上增設(shè)了調(diào)平完成后的自鎖定功能，以及手動(dòng)解鎖按鈕。
整個(gè)調(diào)平過(guò)程是一個(gè)離散化的動(dòng)態(tài)趨近過(guò)程。在系統(tǒng)跟蹤傾角狀態(tài)的每個(gè)周期，平臺(tái)都逐步逼近水平位置，直至與水平面的差別小于停機(jī)閾值。此時(shí)電機(jī)停轉(zhuǎn)，平臺(tái)鎖定，系統(tǒng)默認(rèn)一次校準(zhǔn)任務(wù)完成。在下一次基座調(diào)平任務(wù)來(lái)臨之前，需要手動(dòng)操作解鎖按鈕，以喚醒系統(tǒng)工作。從系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)平的思想中可以看出，兩臺(tái)電機(jī)的擺放位置并不是固定的，只要3個(gè)支撐點(diǎn)不共線，平臺(tái)就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)平。
為使系統(tǒng)更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確的完成調(diào)平工作，采用了基于PID的反饋控制算法。傳統(tǒng)的PID控制結(jié)構(gòu)如圖6所示，虛線框內(nèi)是PID控制器，R(s)為輸入量，C(s)表示復(fù)雜系統(tǒng)輸出，B(s)是反饋量，控制偏差信號(hào)E(s)=R(s)-B(s)，G。(s)表示被控過(guò)程，D(s)為外界干擾，N(s)是傳感器噪聲。