一種車載平臺(tái)隨動(dòng)自調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邱兵 李凡貢

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所 山東省青島市 266107）

在現(xiàn)代地球物探領(lǐng)域內(nèi)，制約光電搜索儀探測目標(biāo)體位置與成像度精度的主要因素是儀器工作平臺(tái)在機(jī)動(dòng)車載體行進(jìn)過程中無穩(wěn)定的水平度，以往行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用對(duì)象是使載體處于固定位置后再提供穩(wěn)定工作平臺(tái)供搜索儀進(jìn)行探測[1]，這已很難滿足現(xiàn)代隨動(dòng)不間斷測量的要求。以此為出發(fā)點(diǎn)，項(xiàng)目以自動(dòng)控制理論為引導(dǎo)，設(shè)計(jì)了一種三點(diǎn)剛性機(jī)電式支撐隨動(dòng)自調(diào)平系統(tǒng)，在硬件模塊上運(yùn)用PID 自控算法，實(shí)現(xiàn)了載體在行進(jìn)過程中也能為搜索儀全時(shí)刻無間斷提供穩(wěn)定水平工作平臺(tái)，且調(diào)平時(shí)間短、調(diào)平精度高，可靠性高，適應(yīng)外界復(fù)雜地形能力強(qiáng)。

1 系統(tǒng)調(diào)平方案

1.1 調(diào)平系統(tǒng)

光電搜索儀車載平臺(tái)自調(diào)平系統(tǒng)主要由檢測裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)以及電源模塊四部分組成，用于載車在行進(jìn)過程中隨動(dòng)不間斷地將支撐儀器的平臺(tái)由輕微傾斜姿態(tài)調(diào)整至水平基準(zhǔn)內(nèi)，降低外界不規(guī)則地形對(duì)搜索儀探測微弱信號(hào)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(tái)相對(duì)于水平基準(zhǔn)平面的傾斜度，角度輸出值的大小及分辨率是自調(diào)平系統(tǒng)步進(jìn)調(diào)平與判定平臺(tái)精度的評(píng)定依據(jù)。

（2）自調(diào)平系統(tǒng)采用三點(diǎn)剛性機(jī)電式支撐結(jié)構(gòu)作為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其固定輔助支撐軸與兩條可移動(dòng)步進(jìn)軸通過球鉸鏈與上平臺(tái)鏈接，三軸呈等腰直角三角形分布，可移動(dòng)軸采用精密滾珠絲桿結(jié)構(gòu)將伺服步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)步進(jìn)調(diào)平伸縮的直線運(yùn)動(dòng)[2]。

（3）控制系統(tǒng)是光電搜索儀車載平臺(tái)自調(diào)平系統(tǒng)的關(guān)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(shù)轉(zhuǎn)換器ADC 模塊采集到的姿態(tài)傳感器的輸出傾角值作為系統(tǒng)輸入反饋值，與平臺(tái)給定的平面水平度做比較求偏差后，輸入經(jīng)典PID 控制器中輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的脈沖值，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)伸縮調(diào)平。

（4）電源模塊主要為步進(jìn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測裝置、控制系統(tǒng)以及相關(guān)外圍電路提供穩(wěn)定的能量來源。

1.2 調(diào)平方法

如圖1所示，光電搜索儀工作平臺(tái)是根據(jù)X-Y 軸雙軸姿態(tài)傳感器檢測到的平臺(tái)的傾斜角度來判定直角三角形的兩個(gè)可移動(dòng)頂點(diǎn)A、C相對(duì)于直角頂點(diǎn)O的高低，采用“兩點(diǎn)確定一線、兩線確定一面”的方法來進(jìn)行探測儀工作平臺(tái)自調(diào)平。平臺(tái)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(yīng)與X 軸、Y 軸保持平行。定義傳感器檢測到平臺(tái)X 軸與水平基準(zhǔn)X基的夾角為俯仰角pitch，記p，檢測到的平臺(tái)Y 軸與水平基準(zhǔn)Y基的夾角為橫滾角roll，記γ，平臺(tái)自調(diào)平過程如圖1。

根據(jù)已知相關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)，工作平臺(tái)的俯仰、橫滾角度，可以反解出兩條可移動(dòng)副的步進(jìn)距離[3]，如公式（1）所示：

受困于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面兼容配合誤差、伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)反向間隙、死區(qū)影響等不可定量分析因素影響，本次設(shè)計(jì)采用分布調(diào)平，“先步進(jìn)粗調(diào)、再PID 微調(diào)”，即系統(tǒng)依據(jù)式（1）先大幅步進(jìn)，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(jī)步進(jìn)脈沖個(gè)數(shù)為輸出，運(yùn)用PID 算法，試湊比例P、積分I、微分D 三個(gè)參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快自調(diào)平。

2 調(diào)平系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于車載光電搜索儀工作平臺(tái)自調(diào)平系統(tǒng)控制原理，項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過程中選擇了TI 公司設(shè)計(jì)的超低功耗型MSP430F2132 芯片作為系統(tǒng)信號(hào)微控制器，在充分利用其自帶資源的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了如圖2所示的硬件結(jié)構(gòu)。

2.1 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)

在光電搜索儀車載平臺(tái)自調(diào)平系統(tǒng)中，考慮到市電電源會(huì)對(duì)搜索儀探測過程疊加入交流信號(hào)干擾，項(xiàng)目在設(shè)計(jì)過程中采用了+48V、12A 型大容量鋰電池供能，經(jīng)DC-DC 模塊URF4824QB-100WR3（最大輸出電流4.2A）穩(wěn)壓出兩路+24V 為步進(jìn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供電源，同時(shí)通過另一片DC-DC 模塊URF4824MT-3WR3 穩(wěn)壓出+24V 后，經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換芯片LWR50410、LM1117-3.3 降至+5V、+3.3V 為微控制器、雙軸姿態(tài)傳感器、運(yùn)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(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)的核心，其檢測精度的高低直接影響著系統(tǒng)最終的自調(diào)平精度。項(xiàng)目以ADI 公司生產(chǎn)的雙軸高精度MEMS 型加速度計(jì)ADXL203 為系統(tǒng)的姿態(tài)檢測傳感器，通過測量靜態(tài)重力加速度變化，來敏感X 軸、Y 軸相對(duì)大地水平面的傾斜度。平臺(tái)的姿態(tài)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(shí)，k=1000mg/V，Ax、Ay為歸一化到-1g～+1g 范圍內(nèi)后X、Y 兩軸的加速度。

2.3 角度信號(hào)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(diào)平控制驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的基礎(chǔ)構(gòu)件為57 型伺服步進(jìn)電機(jī)，在工業(yè)過程控制中通常運(yùn)用的方案是通過微控制器產(chǎn)生一定頻率但可調(diào)、個(gè)數(shù)可控的PWM 脈沖小信號(hào)，經(jīng)與之功率匹配的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器來細(xì)分PWM 脈沖數(shù)，并大功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)步進(jìn)[4]，同時(shí)在微控制器與驅(qū)動(dòng)器之間應(yīng)設(shè)計(jì)控制引腳電平兼容模塊。本設(shè)計(jì)中選用市面上常見的57 式帶編碼型步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，電平轉(zhuǎn)換芯片選用六通道SN74HC04，控制信號(hào)接線方式為共陽極，驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

3 調(diào)平系統(tǒng)軟件算法

3.1 步進(jìn)調(diào)平PID控制算法設(shè)計(jì)

平臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是將伺服電動(dòng)缸轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為可移動(dòng)副的直線步進(jìn)伸縮運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)的輸入輸出關(guān)系為一種二階系統(tǒng)，傳遞函數(shù)為：

式（3）中：為電機(jī)輸入轉(zhuǎn)角，Y(s)為直線輸出位移，S 為絲杠導(dǎo)程，KL是等效到絲杠軸上的機(jī)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(dǎo)軌粘性阻尼系數(shù)。

考慮到式（3）僅僅是根據(jù)系統(tǒng)的已知結(jié)構(gòu)參數(shù)推算而得，非較為準(zhǔn)確。故在系統(tǒng)中結(jié)合了自控理論中經(jīng)典PID 控制算法不過分依賴被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型也能取得較好控制結(jié)果這一特點(diǎn)[6]，來對(duì)步進(jìn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，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(tǒng)PID 控制算法原理可簡要?dú)w納為：首先檢測提取傾角傳感器實(shí)際檢測值ρout與目標(biāo)期望值ρin的偏差值e，經(jīng)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(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)步進(jìn)調(diào)平，控制器的三個(gè)參數(shù)在兼顧另一軸參數(shù)時(shí)采用“試湊法”獲取。

3.2 自調(diào)平控制算法軟件流程圖

要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)自調(diào)平，還需將平臺(tái)理論控制算法轉(zhuǎn)換為能夠在微控制器中運(yùn)行的離散化軟件程序，故此編寫了如圖5所示的算法實(shí)現(xiàn)流程圖：首先對(duì)平臺(tái)的初始姿態(tài)傾角進(jìn)行采樣得到當(dāng)前k 時(shí)刻的X 軸、Y 軸傾斜角ρ(k)、γ(k)，根據(jù)系統(tǒng)“粗細(xì)”調(diào)平的閾值范圍±1°驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或大幅度調(diào)平或步進(jìn)PID 微調(diào)。若傾角|ρ(k)|>1°、|γ(k)|>1°，步進(jìn)電動(dòng)缸則再根據(jù)兩個(gè)傾角的具體范圍較大幅度地或步進(jìn)伸長或步進(jìn)縮進(jìn)L，后再進(jìn)行傾角采樣、判斷、動(dòng)作；若-1°≤ρ(k)≤1°、-1°≤γ(k)≤1°，系統(tǒng)再根據(jù)細(xì)化后的傾角范圍，進(jìn)行PID 參數(shù)試湊整定，并輸出控制量ux(k)、uy(k)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)微調(diào)，并返回A/D 模塊采集傾角數(shù)據(jù)、判斷、動(dòng)作。如此循環(huán)執(zhí)行、采集、判斷，當(dāng)傾角滿足系統(tǒng)調(diào)平精度-0.1°≤ρ(k)≤1°、-0.1°≤γ(k)≤0.1°時(shí)，步進(jìn)電機(jī)不再動(dòng)作，車載工作平臺(tái)到達(dá)水平位置內(nèi)。

圖1：平臺(tái)調(diào)平過程簡圖

圖2：平臺(tái)自調(diào)平系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖

圖3：輸入控制信號(hào)單端共陽級(jí)接法

圖4：經(jīng)典PID 控制器原理框圖

圖5：自調(diào)平控制算法軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

4 結(jié)果

經(jīng)外場試驗(yàn)，項(xiàng)目設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)軟硬件在光電搜索儀機(jī)動(dòng)車載體行進(jìn)過程中成功完成了對(duì)工作平臺(tái)的隨動(dòng)不間斷自調(diào)平，且調(diào)平時(shí)間、調(diào)平精度都優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。通過單位質(zhì)量管理體系認(rèn)證后，已小批量投產(chǎn)裝備于某型光電探測儀機(jī)動(dòng)載體上，成功應(yīng)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(shí)，文中提出的自調(diào)平算法、調(diào)平流程，以及設(shè)計(jì)的調(diào)平系統(tǒng)軟硬件通用性較好、可移植性較高，可適用于其它需要隨動(dòng)自調(diào)平設(shè)備的應(yīng)用中，具有一定的推廣價(jià)值。