自動平衡裝置的設計與研制

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，研究設計了一種能夠隨物體擺動而進行調整角度使物體保持平衡穩定的自動平衡裝置，該裝置利用脈沖信號的頻率和脈沖數對步進電機的轉速、停止的位置進行控制，在負載范圍內通過運動控制系統將預定的控制方案、規劃指令轉變成期望的機械運動，實現自動機械運動精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉矩或力的控制，具有結構簡單、校準精度高、響應速度快和工作性能穩定的特點。

關鍵詞：自動；平衡儀裝置；智能

中圖分類號：TH13 文獻標識碼：A

在互聯網+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定狀態的特殊要求，在非超載的條件下，利用步進電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，通過運動控制系統將預定的控制方案、規劃指令轉變成期望的機械運動，實現自動機械運動精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉矩或力的控制，研究設計了一種能夠隨物體擺動而進行調整角度使物體保持平衡穩定的自動平衡儀器，本文對該自動平衡儀器的設計原理以及結構進行闡述和說明。

1 裝置的設計原理及硬件構成

1.1 二維自動平衡儀設計原理

當構件產生晃動時，由陀螺儀產生模擬數學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化為脈沖信號給步進電機驅動器，之后驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，最終將預定的控制方案、指令轉變為期望的機械運動，實現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，實時調整X軸和Y軸的位置，最終控制兩軸的姿態平衡。

1.2 硬件構成

（1）陀螺儀傳感器

設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字運動處理器DMP，可用I2C接口連接一個第三方的數字傳感器。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字節的FIFO，有助于降低系統功耗。和所有設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）。對于需要高速傳輸的應用，對寄存器的讀取和中斷可用20MHz的SPI。另外，片上還內嵌了一個溫度傳感器和在工作環境下僅有±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，配合姿態解算器，運用動態卡爾曼濾波算法，準確解算出X軸和Y軸的傾角。姿態測量精度為0.01°。

（3）步進電機驅動器

步進電機驅動器是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速和定位的目的。

（4）步進電機

是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。

系統根據X軸和Y軸的實際傾角，實時調整X軸和Y軸的位置，最終控制兩軸的姿態平衡。

2 裝置的基本結構

在底板上方安裝有基本框架1，在所述的框架1內沿著框架1的一個對稱軸方向安裝有第一轉軸，在所述第一轉軸上安裝有穩定平臺8，沿著所述框架1的另一個對稱軸方向上連接有第二轉軸，所述第二轉軸軸線與第一轉軸軸線垂直；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、同步帶與第二轉軸上的轉動帶輪相連。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軸上安裝的帶輪轉動相連，兩臺步進電機5分別與步進電機驅動器6相連。當底板構件產生晃動時，由陀螺儀產生的模擬數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化為脈沖信號輸出給步進電機驅動器，接收到脈沖信號的步進電機驅動器隨之驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，最終將預定的控制指令轉變為預期的機械運動從而實現精確的位置、速度、加速度和力的控制，確保在穩定平臺8上的物品能實現二維自動平衡。

結語

本自動平衡裝置在初步設計機械穩定平臺基礎上，利用陀螺儀和步進電機特性研制的一種穩定、可靠的運輸穩定平臺裝置，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和依據，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；在醫療救護方面，可利用其構造原理研制成具有平衡功能的擔架，用于轉移和運送傷員，對保持傷員姿態平穩、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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