全自动自适应动态平台

1创意介绍

在地形勘探领域的测量、建筑工地领域的水平校准、航 空拍摄时，摄像机等都需要保证在水平且稳定的工作状态。目 前，这些场合往往是使用水平仪来测量倾斜状态，并手动调 整设备的平衡。为提高工作效率，本文研制了此项可以完全自 主测量，并且可以自动将设备调节到水平状态的仪器，不仅如 此，作品在精度和响应速度上均达到先进的水平，且具有极 强的适应性，可以满足更广泛领域的应用。

本作品机械结构分为底座和平台两大部分，把需要水平 环境的设备安置在平台上，无论怎样晃动，设备始终保持在 水平状态。本系统以LM3S615 (Cortex-M3)为控制器，通过 加速计、陀螺仪和磁场传感器感知平台的状态，然后通过控 制三个电机实现控制平台的三个维度。其中X、V轴控制平台 的水平状态,z轴控制平台的旋转，从而在保证平台水平的基 础上控制平台不受环境旋转的影响而保持原方向不变。另外, 通过上位机可以通过无线模块对水平仪进行离线操作，允许 把平台调节到任意倾斜状态，而水平台仍然具有抗震动能力, 始终维持在设定的倾斜状态。也可以通过上位机对水平仪进 行远程控制。这使得本作品的应用领域大大拓广，可用在军事、 宇航、生产等领域。

1.1基本功能

平台可以设置为水平或任意倾斜状态，当外界环境发生 起伏、摇摆或转动等干扰时，平台可以始终保持在设定状态。 把需要水平状态的设备安置在平台上，平台即为设备提供水平 状态，设备保持水平。图1所示是该平台的基本原理图。

1.2拓展功能

本产品的扩展功能可以通过图2这款软件控制平台的状 态来进行说明。具体如下：

扩展功能一：通过旋转相应旋钮，来调节平台三个自由 度的角度；

扩展功能二：可以通过电脑输入x，N，z轴的数值，把平 台设置成任意倾斜状态；

扩展功能三：配套软件可以通过互联网对平衡台进行远 程操控。

我们通过软件将平台调至任意倾斜角度，当平台所处的 环境发生震动、倾斜、转动等干扰时，平台依然保持设定状态。

2技术原理

2.1微处理器

系统以LM3S615为控制器，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传感器

此系统使用MPU-6050和HM5883L作为传感器。MPU- 6050如图3所示，它封装了陀螺仪和加速器，可用于测量水 平台的倾斜状态。

MPU-6050为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较 于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题, 减少了大量的包装空间。MPU-6000整合了 3轴陀螺仪、3轴 加速器，并含可藉由第二个I2C端口连接其他厂牌之加速器、 磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理(Digital Motion Processor，DMP)硬件加速引擎，由主要I2C端口以单一数据 流的形式，向应用端输出完整的9轴融合演算技术。

图4所示的HMC5883L磁强计可用于测量平台的方向， 为系统控制平台保持原方向提供数据。HMC5883L采用霍尼 韦尔各向异性磁阻(AMR)技术，该技术的优点是其他传感 器技术所无法企及的。这些各向异性传感器具有在轴向高灵 敏度和线性高精度的特点。传感器带有的对于正交轴低敏感 行的固相结构能用于测量地球磁场的方向和大小，其测量范 围从毫高斯到8高斯(gauss)。霍尼韦尔的磁传感器在低磁场 传感器行业中是灵敏度最高和可靠性最好的传感器。

2.3 TA8435三轴驱动器及步进电机

本设计采用脉宽调制式斩波驱动方式，运用TA8435H步 进电机专用芯片设计了一个两相步进电机细分驱动模块。模块 中TA8435H芯片将来自MCU等控制器的单一脉冲信号进行 脉冲分配，并在芯片内部提高驱动能力，进而驱动步进电机。 由单片机产生脉冲，经TA8435H专用芯片进行脉冲分配和功 率放大后，将脉冲信号输入步进电机进行驱动。设计方案如 图5所示。

使用细分方式，能很好地解决步进电机在低频工作时, 振动大、噪声大的问题。图6所示为驱动电路原理图。

2.4 无线通信模块

本系统无线通信模块采用 ZM2410P0，如图 7 所示。

系统使用两个收发模块，一个直接连到电脑上，另一个 安置在本作品中，实现电脑操控软件与平衡仪之间的通信任务。 图8所示为本模块使用的电路连接图。

2.5操控软件

在电脑上运行此软件，则上位机通过2410无线模块和水 平仪进行通信，通过旋转旋钮，可以任意改变平台的倾斜角度。 也可以通过数字输入的方式来调节平台的倾斜角度。同时，平 衡仪任然具有自恢复性，即无论怎样晃动，平台始终保持在 设定的状态。

而且，本软件具有联网功能，把一台电脑作为服务器, 运行本软件。那么任何地方都可以通过互联网访问该服务器, 并控制本软件，这就实现了远程控制功能。这一功能，将大大 拓展本作品的应用领域。

本软件使用LabVIEW编写。LabVIEW程序开发环境, 类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机 语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语 言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写 程序，产生的程序是框图的形式。本软件的程序如图9所示。

2.6功能与指标

本平台的理论角度偏差为0.01°由于电机精度等因素, 实际偏差0.1°左右。响应时间为10 ms。

2.7程序流程

本系统使用卡尔曼滤波算法，可保证作品的角度测量精度，也对 PID 控制提供支持，使本作品兼有高精度和实时动态响应的优点。

3作品创新点和应用市场

3.1作品创造性

（1）动态响应迅捷，平台自适应能力极强，动态响应速度为10ms，从而保证平台在震动环境下实时地稳定在设定状态。

（2）静态性能稳定，在静态的环境下，控制系统可以实时的保证平台纹丝不动。

（3）平台的理论角度偏差为0.01°，由于电机精度等因素的限制，实际偏差0.1°以内。

（4）系统在三个相互垂直的自由度上控制平台的姿态，实现了全方位的灵活控制功能。

（5）作品具有无线控制和远程控制功能。通过无线收发装置，电脑可通过上位机对平台的姿态进行实时控制。通过互联网，远程用户可以通过服务器间接控制平台的状态。

本作品高性能、多功能的特点使它可以应用到更为高端和更广泛的领域。

3.2应用前景与市场预测

本作品可应用在军事、宇航、生产生活等领域。例如在平台上加上垂直激光，则可以作为空间尺度的校准；在军事上，则可以作为导弹的发射底座，这样就可以实现移动状态下的炮弹发射，不会因为发射车的颠簸而影响炮弹的准确性，具有极高的战略意义。作品有极高的应用价值，而市场上并未出现相关的通用性产品，因此本作品具有很大的市场潜力。

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