基于單片機的機電調平試驗系統研究

張付祥，陳萬軍，孫書鵬

（河北科技大學 機械工程學院，石家莊 050018）

0 引言

很多特殊用途的工程車輛在工作之前要先進行精度較高的水平調整，要求調平速度快，自動化程度高，還要可靠性高。過去主要采用手工調平，由多人反復操作調節支腿，通過觀察氣泡達到水平，這種方法不僅調節時間長，而且精度低[1]。目前調平系統應用較多的是采用液壓調平，但液壓調平系統也有諸多缺點，如調平時間較長、響應遲鈍、漏油、成本高、維護困難等問題。機電調平相比比液壓調平優點是調平時間短，精度高，可靠性好等[2]。

1 單支腿機械結構

本文提出一種基于單片機的機電式自動調平試驗系統，調平支腿主要由驅動電機、減速器、絲杠螺母、內外套筒、限位螺釘以及行程開關組成，結構原理如圖1所示。支腿通過控制驅動電機的起停以及轉向將動力和轉矩輸出，由錐齒輪傳遞進行減速，同時將力矩傳遞給絲杠，把電機的螺旋運動轉化為直線運動，從而實現支腿的舉升和收藏運動，并且由限位螺釘實現支腿的快速升降功能，由上下行程開關來限制支腿的行程[3]，調平結束后，由力傳感器判斷虛腿。

圖1 調平支腿結構原理圖

2 平臺調平方式

現有調平系統的支撐方式主要有三點式、四點式以及多點式調平，其中多點式是指六點以上的調平方式。

2.1 三點式調平

由幾何知識可知不在同一條直線上的三點確定一個平面，或者等效為不平行的兩條直線確定一個平面，故可以在相交直線上各安裝一個傾角傳感器，通過考察平面內兩條相交直線是否水平，來判斷平臺的水平度。三點式平臺模型如圖2所示。

圖2 三支腿式系統平臺模型

根據兩個傾角傳感器測得的傾角θ1和θ2可以判斷三個支撐點A、B、C的相對高低[4]，系統平臺調平時，θ1和θ2同時滿足要求后，各個支腿停止運動，此時系統平臺處于我們所認為的水平狀態。由于精度的限制，認為平臺已經水平，但是平臺距離真正的水平還存在一定的誤差，平臺的水平誤差θ與θ1、θ2的關系為：

θ1和θ2測量范圍為 ，為試驗平臺要求參數，水平誤差θ為：

如果 ，同時將系統平臺的三條支腿的距離設計成等邊三角形，可以得出：

三點式調平控制原理簡單，調平速度快，成本較低，但抗傾覆能力差，尤其對于重載式車輛，是必須要避免的。

2.2 四點式調平

對于四點式調平系統的四條支腿布置方式按對稱式布置，分別將四條支腿置于四個角的位置，這種四腿支撐的方式保證了平臺受力均勻，四條支腿分列兩側也保證了調平系統平臺的穩定性，同時也增強了平臺的抗顛覆性能力。四點式平臺中央安裝雙軸傾角傳感器，如圖3所示。

圖3 四支腿調平系統平臺模型

四點式調平系統平臺在調平完成時也會產生一定的誤差，取 ，由式（2）得：

由此得知，四點式調平不但解決了抗傾覆能力差的問題，同時提高了調平的精度，但是四點調平結束后，容易出現虛腿現象，從而影響系統的穩定性。為了解決虛腿問題，在每個支腿上都裝有壓力傳感器，通過比較調平后各支腿的壓力值與靜態下各支腿壓力值，差值如果超出一定的誤差，則是虛腿并需要對其進行充實。

2.3 多點式調平

多點式調平的原理相近，考慮到在調平系統工作中平臺會發生形變，為了解決這個問題，通過增加支腿數量來減少平臺發生形變。這顯然達到了目的，但在多支腿調平系統的調平過程中，由于支腿的增加使得調平算法復雜，控制系統也變得復雜，與此同時調平系統相對應的調平時間也會相應增加，各個支腿的受力不均勻，虛腿問題更加突出。

綜合考慮各種調平方式的調平時間、精度、成本、抗傾覆性等因素，采用四點調平方式。

3 電控系統硬件構成

四腿機電調平電控系統硬件結構如圖4所示。

圖4 硬件結構圖

傾角傳感器：選用高精度數字雙軸傾角傳感器，能輸出X、Y兩個垂直方向上的角度，分辨率為0.002o，可選RS232接口，波特率可調，工作方式為應答模式和自動模式。

壓力傳感器：測量支腿所承受的壓力，采用RS232接口，工作于應答模式。

位置傳感器：選用性能較穩定的接近開關，用于限制絲杠的行程。

單片機：選用ATMEL公司生產的AT89C52單片機，接收操作人員的控制按鍵輸入，把接收到的傾角傳感器和壓力傳感器的數值進行轉換，并把結果顯示在數碼管上，并且選擇匹配的調平方式，驅動電機按合適的方向運動和的距離，實時監控，實現調平。

報警電路：當系統出現故障，如壓力過大、絲杠超出行程，會通過蜂鳴器或點亮發光二極管通知操作人員。

4 調平方法研究

調平系統的調平方法主要包括角度誤差調平法和位置誤差調平法。角度誤差調平法通過直接檢測平臺的X軸和Y軸的傾角值，通過伸長或縮短支腿，使傾角值減小到要求的誤差范圍之內。位置誤差調平法首先通過計算確定每條支腿要伸長或縮短的距離，然后驅動相應支腿動作，直到四個支腿平齊，使平臺達到水平。由于平臺的載重一般比較大，當支腿需要縮短時，平臺下降會產生較大慣性[5]，容易發生抖動和傾覆，所以一般采用“逐高式”，即只升不降的方法實現調平。系統的調平過程如圖5所示。

圖5 調平過程流程圖

平臺初始狀態如圖6所示，系統上電接收到調平開始命令之后，首先通過傾角傳感器讀取X軸和Y軸的角度 和 ，然后確定平臺的四個支撐點的最高點。最高點的判斷方法如下（設定角度精度為）：

調平過程中，保持最高點不動，解算出三條較低支腿的行程（假設最高點為C，AD之間的距離為a，AB之間的距離為b），由于平臺為剛性平臺，為了消除單點升高時，帶來的虛腿問題，采用雙腿同時升高，同時還簡化了算法，計算如下：

圖6 傾斜平臺示意圖

解算出各支腿的行程之后，如果同時調整X方向和Y方向水平，會使算法復雜，既增加了工作量，又延長了調平時間，所以先調整X方向水平，然后調整Y方向水平，在調整Y方向水平時，可能會影響X方向的水平，則當這兩個方向都調整水平后再進行判斷，如果水平度不滿足精度要求，再分別進行調平，如此循環，直到達到所要求的精度范圍之內。在分別進行調平的過程中，為了增加調平精度和縮短調平時間，在調平過程中，采用粗調平和精調平相結合的方法。粗調平是指采用位置誤差調平法，在解算出各支腿行程之后，采用較快的速度先上升到理想距離的95%，以此來縮短調平時間。精調平是指采用角度誤差調平法，在粗調平結束后，直接通過檢測傾角的角度值來判斷平臺的水平度，雖然調平時間長，但可以保證調平精度。

由于各種因素的影響，在X方向和Y方向都調平之后，可能會有虛腿產生，影響系統的穩定性。通過判斷壓力傳感器的壓力值，便可判斷出虛腿，并進行充實。虛腿充實后仍然要檢測平臺的水平，滿足精度要求時，調平結束，鎖定支腿。

5 結論

基于單片機的四支腿機電自動調平試驗系統，具有控制原理簡單、穩定性高、便于維護、性價比較高等優點。經測驗該系統能有效地避免虛腿產生，發生傾覆現象，具有很強的通用性，該試驗系統為進一步開發實際應用系統提供了硬件基礎。四腿機電調平系統可以應用于汽車、雷達、衛星天線及其他需要調平的裝置。

[1]李迪科,李萍,等.某雷達自動電調平控制系統的設計[J].重慶大學學報,2004,27(6):93-95.

[2]李忠于.某雷達自動調平機構的設計分析[J].火控雷達技術,2002,31:43-46.

[3]婁華威,卜德嶺,等.電液比例閥控液壓調平系統設計與仿真研究[J].流體傳動與控制, 2009,(5): 10-11.

[4]歐同庚,王琪,等.水平面基準系統的自動調平方法研究[J].大地測量與地球動力學,2008, 28(5):129-131.

[5]凌軒,朱玉泉,等.雷達天線車自動調平系統設計[J].液壓與氣動,2008,(4):1-3.