一種車載平臺隨動自調平系統設計

邱兵 李凡貢

（中國電子科技集團公司第二十二研究所 山東省青島市 266107）

在現代地球物探領域內，制約光電搜索儀探測目標體位置與成像度精度的主要因素是儀器工作平臺在機動車載體行進過程中無穩定的水平度，以往行業內的應用對象是使載體處于固定位置后再提供穩定工作平臺供搜索儀進行探測[1]，這已很難滿足現代隨動不間斷測量的要求。以此為出發點，項目以自動控制理論為引導，設計了一種三點剛性機電式支撐隨動自調平系統，在硬件模塊上運用PID 自控算法，實現了載體在行進過程中也能為搜索儀全時刻無間斷提供穩定水平工作平臺，且調平時間短、調平精度高，可靠性高，適應外界復雜地形能力強。

1 系統調平方案

1.1 調平系統

光電搜索儀車載平臺自調平系統主要由檢測裝置、執行機構、控制系統以及電源模塊四部分組成，用于載車在行進過程中隨動不間斷地將支撐儀器的平臺由輕微傾斜姿態調整至水平基準內，降低外界不規則地形對搜索儀探測微弱信號精度的影響。

（1）檢測裝置采用一種雙軸傾斜角度傳感器測量搜索儀工作平臺相對于水平基準平面的傾斜度，角度輸出值的大小及分辨率是自調平系統步進調平與判定平臺精度的評定依據。

（2）自調平系統采用三點剛性機電式支撐結構作為系統的執行機構，其固定輔助支撐軸與兩條可移動步進軸通過球鉸鏈與上平臺鏈接，三軸呈等腰直角三角形分布，可移動軸采用精密滾珠絲桿結構將伺服步進電機轉軸的旋轉運動轉換為系統步進調平伸縮的直線運動[2]。

（3）控制系統是光電搜索儀車載平臺自調平系統的關鍵組成部分，其采用微控制器處理芯片作為模塊的大腦，以高精度模數轉換器ADC 模塊采集到的姿態傳感器的輸出傾角值作為系統輸入反饋值，與平臺給定的平面水平度做比較求偏差后，輸入經典PID 控制器中輸出執行機構所需要的脈沖值，驅動步進電機步進伸縮調平。

（4）電源模塊主要為步進執行機構、檢測裝置、控制系統以及相關外圍電路提供穩定的能量來源。

1.2 調平方法

如圖1所示，光電搜索儀工作平臺是根據X-Y 軸雙軸姿態傳感器檢測到的平臺的傾斜角度來判定直角三角形的兩個可移動頂點A、C相對于直角頂點O的高低，采用“兩點確定一線、兩線確定一面”的方法來進行探測儀工作平臺自調平。平臺的X 軸、Y 軸與直角三角形的兩條直角邊平行，且傾角傳感器的測量敏感軸也應與X 軸、Y 軸保持平行。定義傳感器檢測到平臺X 軸與水平基準X基的夾角為俯仰角pitch，記p，檢測到的平臺Y 軸與水平基準Y基的夾角為橫滾角roll，記γ，平臺自調平過程如圖1。

根據已知相關的機械結構參數，工作平臺的俯仰、橫滾角度，可以反解出兩條可移動副的步進距離[3]，如公式（1）所示：

受困于系統結構方面兼容配合誤差、伺服傳動機構反向間隙、死區影響等不可定量分析因素影響，本次設計采用分布調平，“先步進粗調、再PID 微調”，即系統依據式（1）先大幅步進，后以給定的水平精度與反饋的X 軸、Y 軸角度的偏差為輸入，電機步進脈沖個數為輸出，運用PID 算法，試湊比例P、積分I、微分D 三個參數，最終實現系統穩、準、快自調平。

2 調平系統硬件設計

基于車載光電搜索儀工作平臺自調平系統控制原理，項目在設計過程中選擇了TI 公司設計的超低功耗型MSP430F2132 芯片作為系統信號微控制器，在充分利用其自帶資源的基礎上設計了如圖2所示的硬件結構。

2.1 系統電源電路設計

在光電搜索儀車載平臺自調平系統中，考慮到市電電源會對搜索儀探測過程疊加入交流信號干擾，項目在設計過程中采用了+48V、12A 型大容量鋰電池供能，經DC-DC 模塊URF4824QB-100WR3（最大輸出電流4.2A）穩壓出兩路+24V 為步進執行機構提供電源，同時通過另一片DC-DC 模塊URF4824MT-3WR3 穩壓出+24V 后，經電壓轉換芯片LWR50410、LM1117-3.3 降至+5V、+3.3V 為微控制器、雙軸姿態傳感器、運放以及ADC 模塊提供能量來源。

2.2 X-Y軸傾斜度檢測傳感器

X 軸、Y 軸傾斜度檢測電路是系統硬件模塊設計的核心，其檢測精度的高低直接影響著系統最終的自調平精度。項目以ADI 公司生產的雙軸高精度MEMS 型加速度計ADXL203 為系統的姿態檢測傳感器，通過測量靜態重力加速度變化，來敏感X 軸、Y 軸相對大地水平面的傾斜度。平臺的姿態角通過式（2）求解：

式中，Xout、Yout 為X 軸、Y 軸加速度輸出電壓值，k 為與電源電壓成比例的輸出靈敏度，在Vs=5V 時，k=1000mg/V，Ax、Ay為歸一化到-1g～+1g 范圍內后X、Y 兩軸的加速度。

2.3 角度信號A/D采集模塊

微控制器片上集成有接口為SPI 模式的12 位ADC 采集模塊，其最小分辨率為2.5/4096=0.6mV，完全滿足Xout、Yout 輸出電壓大小與分辨力的采集要求。

2.4 調平控制驅動電路設計

本項目設計的執行機構中的基礎構件為57 型伺服步進電機，在工業過程控制中通常運用的方案是通過微控制器產生一定頻率但可調、個數可控的PWM 脈沖小信號，經與之功率匹配的步進驅動器來細分PWM 脈沖數，并大功率驅動電機步進[4]，同時在微控制器與驅動器之間應設計控制引腳電平兼容模塊。本設計中選用市面上常見的57 式帶編碼型步進驅動器，電平轉換芯片選用六通道SN74HC04，控制信號接線方式為共陽極，驅動電路如圖3所示。

3 調平系統軟件算法

3.1 步進調平PID控制算法設計

平臺執行機構是將伺服電動缸轉軸的回轉運動轉換為可移動副的直線步進伸縮運動，對應的輸入輸出關系為一種二階系統，傳遞函數為：

式（3）中：為電機輸入轉角，Y(s)為直線輸出位移，S 為絲杠導程，KL是等效到絲杠軸上的機械傳遞裝置總剛度，n 為齒輪減速比，JL是等效到軸上的總慣量，fL為等效到絲杠軸上的導軌粘性阻尼系數。

考慮到式（3）僅僅是根據系統的已知結構參數推算而得，非較為準確。故在系統中結合了自控理論中經典PID 控制算法不過分依賴被控對象的數學模型也能取得較好控制結果這一特點[6]，來對步進執行機構進行驅動，期望獲得良好的控制效果。如圖4所示，以單軸X 軸為例，系統PID 控制算法原理可簡要歸納為：首先檢測提取傾角傳感器實際檢測值ρout與目標期望值ρin的偏差值e，經比例P、微分D、積分I 單元線性疊加整定后，輸出控制變量u 來驅動執行機構步進調平，控制器的三個參數在兼顧另一軸參數時采用“試湊法”獲取。

3.2 自調平控制算法軟件流程圖

要實現系統實時自調平，還需將平臺理論控制算法轉換為能夠在微控制器中運行的離散化軟件程序，故此編寫了如圖5所示的算法實現流程圖：首先對平臺的初始姿態傾角進行采樣得到當前k 時刻的X 軸、Y 軸傾斜角ρ(k)、γ(k)，根據系統“粗細”調平的閾值范圍±1°驅動執行機構或大幅度調平或步進PID 微調。若傾角|ρ(k)|>1°、|γ(k)|>1°，步進電動缸則再根據兩個傾角的具體范圍較大幅度地或步進伸長或步進縮進L，后再進行傾角采樣、判斷、動作；若-1°≤ρ(k)≤1°、-1°≤γ(k)≤1°，系統再根據細化后的傾角范圍，進行PID 參數試湊整定，并輸出控制量ux(k)、uy(k)驅動執行機構微調，并返回A/D 模塊采集傾角數據、判斷、動作。如此循環執行、采集、判斷，當傾角滿足系統調平精度-0.1°≤ρ(k)≤1°、-0.1°≤γ(k)≤0.1°時，步進電機不再動作，車載工作平臺到達水平位置內。

圖1：平臺調平過程簡圖

圖2：平臺自調平系統硬件結構設計框圖

圖3：輸入控制信號單端共陽級接法

圖4：經典PID 控制器原理框圖

圖5：自調平控制算法軟件實現流程圖

4 結果

經外場試驗，項目設計的控制系統軟硬件在光電搜索儀機動車載體行進過程中成功完成了對工作平臺的隨動不間斷自調平，且調平時間、調平精度都優于設計指標要求。通過單位質量管理體系認證后，已小批量投產裝備于某型光電探測儀機動載體上，成功應用于地下管線、孔洞以及雪面冰層厚度等方面的光電物測過程中。同時，文中提出的自調平算法、調平流程，以及設計的調平系統軟硬件通用性較好、可移植性較高，可適用于其它需要隨動自調平設備的應用中，具有一定的推廣價值。