基于單片機(jī)控制舵機(jī)的調(diào)平裝置設(shè)計(jì)?

劉戰(zhàn)峰

（太原科技大學(xué) 太原 030024）

1 引言

目前，調(diào)平系統(tǒng)被應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域，在軍工領(lǐng)域，導(dǎo)彈發(fā)射車的調(diào)平系統(tǒng)［1］；在建筑領(lǐng)域，需要測(cè)量空間的立體尺寸［2］；在光學(xué)領(lǐng)域調(diào)平系統(tǒng)可以利用光的直線傳播原理進(jìn)行方向引導(dǎo)［3］；調(diào)平系統(tǒng)還可以為實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)環(huán)境，調(diào)平系統(tǒng)被廣泛運(yùn)用到多個(gè)領(lǐng)域，在測(cè)量行業(yè)也有設(shè)計(jì)，測(cè)量系統(tǒng)，以及各種工程領(lǐng)域的調(diào)平，比如水平測(cè)距，汽車前照燈，激光發(fā)射儀［4］等。

常用的自動(dòng)調(diào)平技術(shù)采用數(shù)字化的機(jī)械電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)化。目前大部分的設(shè)計(jì)主要集中在大型和中型設(shè)備上，對(duì)于方便我們實(shí)驗(yàn)研究的小型設(shè)備還不完善。比如在測(cè)量領(lǐng)域，學(xué)生實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域等。對(duì)于某些領(lǐng)域，由于系統(tǒng)承受的負(fù)載比較小，如果采用液壓技術(shù)［5］會(huì)大材小用，再加上需要實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)快，精度高的特點(diǎn)，所以采用電子式［6］。本系統(tǒng)采用高自動(dòng)化的機(jī)械電子設(shè)計(jì)方案，采用機(jī)械調(diào)節(jié)理念，應(yīng)用STM32微處理器和三軸陀螺儀相結(jié)合技術(shù)，通過(guò)伺服舵機(jī)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)平面水平，是一種全新的調(diào)平系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算得出，系統(tǒng)不僅能達(dá)到高精度，少時(shí)間，而且生產(chǎn)成本也不高。

2 調(diào)平系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

調(diào)平系統(tǒng)基于STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)，此款單片機(jī)集多個(gè)優(yōu)良性能于一體，有多個(gè)串口功能，而且功耗比較低，內(nèi)置嵌入式開(kāi)發(fā)系統(tǒng)［7］。LSM303DLH三軸陀螺儀［8］用于測(cè)量重力加速度，PID算法［9～11］控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，舵機(jī)采用PWM波控制［12～14］，數(shù)據(jù)采集需要進(jìn)行數(shù)字平滑濾波消除誤差，陀螺儀與單片機(jī)利用I2C協(xié)議［15～16］傳輸數(shù)據(jù)。

調(diào)平系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)合了機(jī)械電子技術(shù)，在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)自由度的可控調(diào)節(jié)，在電子上實(shí)現(xiàn)了數(shù)電與模電相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，還利用了可以控制角度的伺服舵機(jī)作為調(diào)節(jié)載體，陀螺儀與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字的采集和控制，再加上PID算法的快速響應(yīng)，在速度和精度上為系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)提供了保障。

圖1 調(diào)平系統(tǒng)構(gòu)成

電源管理為整個(gè)系統(tǒng)提供電力支援，兩個(gè)伺服舵機(jī)控制兩個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)體，最小角度包含于1024個(gè)數(shù)字位置平分108°，伺服舵機(jī)最小調(diào)節(jié)角度達(dá)到0.176°。系統(tǒng)在STM32微控制系統(tǒng)，伺服舵機(jī)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，陀螺儀反饋系統(tǒng)的控制下進(jìn)行調(diào)平。

3 調(diào)平系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

調(diào)平系統(tǒng)由兩個(gè)伺服舵機(jī)，三個(gè)金屬框架，和陀螺儀等元件組成。系統(tǒng)所用到的機(jī)械結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)舵機(jī)作為旋轉(zhuǎn)主動(dòng)力，底端伺服舵機(jī)用金屬框架和底板鏈接，底端伺服舵機(jī)利用圓盤與上端伺服舵機(jī)鏈接，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)體的兩個(gè)自由度屬性。上端伺服舵機(jī)通過(guò)圓盤與直角金屬固定，直角固定架上面安裝陀螺儀芯片。

旋轉(zhuǎn)體工作原理:調(diào)平系統(tǒng)的底座固定伺服舵機(jī)A，首先伺服舵機(jī)A進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，由于系統(tǒng)上部分整體連結(jié)在與伺服舵機(jī)A固定的圓盤上，所以伺服舵機(jī)A的旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)上部分即伺服舵機(jī)B和陀螺儀以及支架的整體的旋轉(zhuǎn)。然后伺服舵機(jī)B進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，伺服舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)會(huì)帶動(dòng)直角固定架以及陀螺儀的移動(dòng)，這樣就實(shí)現(xiàn)了陀螺儀平面兩個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)。在空間里兩個(gè)自由度能實(shí)現(xiàn)空間任何位置的旋轉(zhuǎn)。

圖2 旋轉(zhuǎn)體

電源管理包含TLE8366-EV5，AMS-1117-3.3，利用開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方案可將直流7V到45V降壓到5V，由于單片機(jī)供電電壓為3.3V所以利用線性穩(wěn)壓原理，調(diào)節(jié)得到3.3V電壓，同時(shí)也為陀螺儀等供電。

考慮到單片機(jī)I/O口的輸出電壓只有3.3V，并且I/O口能提供的電流也有很大的限制，為了保護(hù)單片機(jī)的I/O口，并且可以在驅(qū)動(dòng)伺服舵機(jī)時(shí)能有一個(gè)較大的電流寬域，設(shè)計(jì)了一種經(jīng)過(guò)比較器的上拉電路，使電壓變?yōu)?V，同時(shí)提供可觀的電流。此波形是通過(guò)利用單片機(jī)的定時(shí)功能，設(shè)定20ms的周期，改變高低電平的時(shí)間調(diào)節(jié)占空比，產(chǎn)生周期為20ms的方波，峰值為3.3V，通過(guò)比較器電路把峰值抬高到需要的5V。

圖3 電源管理

4 調(diào)平系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序數(shù)據(jù)反映在一個(gè)閉環(huán)的調(diào)節(jié)上，數(shù)據(jù)的處理在反復(fù)的進(jìn)行，對(duì)調(diào)平的準(zhǔn)確度起到了不可磨滅的作用。采集到的數(shù)據(jù)和理想位置進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)相應(yīng)情況進(jìn)行PID控制算法的計(jì)算，通過(guò)STM32產(chǎn)生PWM波，調(diào)節(jié)陀螺儀平面，于此同時(shí)還需要傳感器的反饋，最后調(diào)節(jié)完成一個(gè)周期，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)流程圖

本系統(tǒng)包含的軟件程序有輸出兩路PWM波的I/O口控制程序、I2C總線程序、各模塊的初始化程序。各軟件程序功能如下:

1）I/O口控制程序:方波占空比可變，周期為20ms。

2）I2C總線程序:實(shí)現(xiàn)陀螺儀傳感器和STM32數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

3）各模塊的初始化程序:上電復(fù)位初始化硬件，做好準(zhǔn)備工作。

圖5 程序流程圖

上電復(fù)位，進(jìn)入主函數(shù)，初始化設(shè)備之后進(jìn)入工作狀態(tài)，首先測(cè)量重力加速度，判斷加速度情況后，計(jì)算調(diào)節(jié)值。進(jìn)入PID閉環(huán)循環(huán)調(diào)節(jié)，直到在誤差循序的范圍之內(nèi)進(jìn)入下一步調(diào)節(jié)（以上方法類似），結(jié)束。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了能明確地解釋程序設(shè)計(jì)思路，所以結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。首先使裝置計(jì)算周期公式為

其中T表示周期，V表示預(yù)分頻，IV表示初始值。

伺服舵機(jī)A、伺服舵機(jī)B旋轉(zhuǎn)到垂直的外置，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)初始狀態(tài)

觀察系統(tǒng)初始狀態(tài)示意圖，可看到陀螺儀在空間上的x，y，z軸，其中x，y軸所在的平面以理想狀態(tài)與我們需要的平面在一個(gè)平面。z軸和伺服舵機(jī)A旋轉(zhuǎn)主動(dòng)軸是平行的兩條線。所以假使伺服舵機(jī)A旋轉(zhuǎn)那么空間上我們的坐標(biāo)系會(huì)圍繞z軸旋轉(zhuǎn)，那么在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，可以使x軸或者y軸與z軸所在的平面與自然界的重力加速度在一個(gè)平面。根據(jù)幾何知識(shí)，這樣得到的結(jié)果是自然界的重力加速度在陀螺儀所在的空間坐標(biāo)系上，在x方向或者是在y方向所在的分量接近0，當(dāng)一個(gè)方向的分量接近0后，在通過(guò)旋轉(zhuǎn)使另一個(gè)方向的分量同樣也變?yōu)?，所以我們是實(shí)現(xiàn)了x，y軸所在的平面，即我們需要調(diào)平的平面與自然的重力加速度垂直，這樣的旋轉(zhuǎn)使得系統(tǒng)調(diào)平的實(shí)現(xiàn)。

調(diào)平程序控制:（使重力加速度在x軸方向的分量接近于0）根據(jù)系統(tǒng)初始狀態(tài)的仰視圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)初始仰視圖

利用三角函數(shù)知識(shí)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度:

伺服舵機(jī)進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)占空比的域度為2.5%到12.5%所以對(duì)應(yīng)于初始狀態(tài)下，需要旋轉(zhuǎn)α角度對(duì)應(yīng)的占空比:

PID控制參數(shù)設(shè)計(jì):PID是比例、積分、微分的縮寫。在一個(gè)具有閉環(huán)的控制過(guò)程中，過(guò)程的控制方法會(huì)受到環(huán)境的影響，在參數(shù)的整定方面還需要考慮所控制對(duì)象的特點(diǎn)，以及干擾的來(lái)源于干擾的大小，當(dāng)我們將參數(shù)整定完成后，參數(shù)就不應(yīng)該被改動(dòng)，可以適當(dāng)?shù)娜フ{(diào)整設(shè)計(jì)［8］。由于微小誤差的存在為了使結(jié)果更加精確，所以需要引入積分變量，累計(jì)誤差進(jìn)行微小的調(diào)節(jié)，誤差的計(jì)算按照公式:

其中:x2為最新得到的重力加速度在x軸的分量；x1為代表上一次測(cè)得的重力加速度在x軸的分量。

PID的控制算法中還需要加入比例項(xiàng)，比例項(xiàng)Kp按照公式:

經(jīng)過(guò)上述的步驟我們已經(jīng)把重力加速度在x方向的分量調(diào)節(jié)到接近于0，那么接下來(lái)按照預(yù)定的思路需要調(diào)節(jié)在y方向的分量。

圖8 系統(tǒng)一次調(diào)節(jié)后狀態(tài)

如上所述:

進(jìn)行PID閉環(huán)調(diào)節(jié)以后，裝置在x，y方向的重力加速度分量接近0，從而我們可以看到系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了我們所希望的水平狀態(tài)，這是，如果去測(cè)量z軸重力加速度的值，可以發(fā)現(xiàn)其值和自然重力加速度幾乎相等。根據(jù)幾何知識(shí)也可以了解到自然重力加速度與z軸幾乎重合。

調(diào)平后，系統(tǒng)狀態(tài)如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)調(diào)平狀態(tài)

6 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)STM32微處理器控制伺服舵機(jī)調(diào)平進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過(guò)機(jī)械電子相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了高自動(dòng)化的調(diào)平系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有成本低，制作工藝簡(jiǎn)單，發(fā)展前景好的優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)在時(shí)間上和精度上能滿足絕大部分需求，但是在擔(dān)負(fù)負(fù)載方面還有缺陷，希望以后可以改善。