一种调整水平装置及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种调整水平装置及其方法，包括支撑平面、执行机构、控制单元；所述执行机构和所述控制单元分别位于所述支撑平面下部，所述执行机构包括固定支撑脚、两个剪式千斤顶驱动装置；采用PD闭环控制算法，将倾角传感器获得的量作为嵌入式控制器驱动执行机构的反馈，快速精确的调整水平，将剪式千斤顶作为执行机构，由步进电机经减速箱驱动剪式千斤顶的丝杆转动以调整支撑脚升降。本发明装置和方法具有调整速度快、调整精度高和承重性好的特点，其结构简单紧凑、稳定性高、具有广泛的实用性。
【专利说明】一种调整水平装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种水平调整装置，尤其涉及一种自动检测平面倾角并调整水平的水平调整装置，适用于需要对仪器摆放角度有较高要求的情况，属于计算机嵌入式技术在机器或设备的底座中的应用。
【背景技术】
[0002]目前，公知的水平调整主要是靠调节水平螺栓，由人工搬动扳手调节螺栓升降来实现对平衡的调整。靠人眼目测水平，手动调节螺栓对调水平的结果有较大影响。目前现有自动调整水平装置由倾角传感器、控制器、电机驱动器及步进电机组成，该装置调整三个支撑脚的相对高度来获得水平面[出处:湖南大学学报(自然科学版)，2008年11月第35卷第11期文章编号:1674-2974(2008) 11-0032-04 —种新型的水平调整装置，何仁生，张家振，应花胡]。由于该设备支撑脚由电动机控制，故平面所受压力全部靠电机保持力矩承受，因此，该设备不能承载较重设备；另一种基于单片机的调整水平装置用单片机控制位于底座的伺服电机来调整平面水平[出处:自动化与信息工程，2011 (3):38-40基于单片机的自动水平调节系统，侯建生]。该系统由两个水平测量模块、两个高度调整模块和一个控制单元组成。调整原理为:一点固定、另外两点为动点，通过调整两个动点的高度，使平面与水平面平行。以上调平衡装置在调整速度、调整精度和承重性等方面仍有待改进。
【发明内容】
[0003]本发明的技术问题:本发明的目的是提供一种基于STM32微控制器的自动调整水平装置及其方法，以解决现阶段人工调整水平所引入的人为误差问题，提高水平调整的效率，解决自动调整水平装置承重性差的问题。
[0004]本发明的原理为:本装置选择了内核为ARM Cortex-M3的微控制器STM32F103ZET6,该MCU属于ARM V7指令架构，它实现了单周期闪存应用最优化，所需代码空间约为ARM7的一半，MCU控制应用的速度快2至4倍，中断处理的响应仅需6_12个系统时钟周期；引入了单周期乘法指令以及硬件除法，仅支持融合了 16位/32位的Thumb2指令集，极大改善了代码密度的同时，又免去了在Thumb和ARM指令集之间切换的繁琐；更为重要的是，该微控制器性价比极高，让32位的系统比8位/16位的还便宜。
[0005]本装置以SCA100T-D01双轴高精度倾角传感器为倾角检测元件，该传感器具有水平测量仪表级别的性能，弱的温度依赖性及高分辨率、低噪声等特点。VTI公司的SCA100T倾角传感器对于高频振动不敏感，因为他们在传感元件内部增加了阻尼，并且能承受高达20000g的机械冲击力。
[0006]在执行机构上，本装置选择了剪式千斤顶，其物理结构能将所受重力分解，而且丝杆的设计巧妙的利用了摩擦角，具有良好的自锁性，而且丝杆本身也是自然的减速机构，所需扭矩相比齿轮直接啮合调节螺栓要小，对步进电机输出扭矩要求更低。
[0007]本发明调整水平装置的技术方案为:[0008]一种调整水平装置，包括支撑平面、执行机构、控制单元；所述执行机构和所述控制单元均位于所述支撑平面下部；所述执行机构包括固定支撑脚、两个剪式千斤顶驱动装置；所述固定支撑脚、所述两个剪式千斤顶驱动装置分别位于所述支撑平面下部一个三角形的三个顶点处；所述控制单元位于所述固定支撑脚所在顶点朝向对边中垂线的垂足处；所述剪式千斤顶驱动装置包括剪式千斤顶、减速箱、步进电机、步进电机驱动器；所述剪式千斤顶中段的丝杆连接所述减速箱，所述减速箱固定连接所述步进电机，所述步进电机与所述步进电机驱动器电连接，所述步进电机驱动器固定于所述支撑平面的下表面；所述控制单元包括倾角传感器、嵌入式控制器，所述倾角传感器和所述嵌入式控制器中的其中一个接口连接，本装置具有结构简单，调整速度快、调整精度高和承重性好的特点。
[0009]作为本发明的进一步改进，上述支撑平面上设置的所述三角形为正三角形，所述剪式千斤顶顶端通过铆钉连接所述支撑平面，所述剪式千斤顶底端通过铆钉连接在基座上。
[0010]作为本发明的进一步改进，所述倾角传感器选取SCA100T-D01倾角传感器，用于获取支撑平面倾斜角度。
[0011]作为本发明的进一步改进，所述嵌入式控制器包括嵌入式MCU、FLASH存储器、SRAM存储器、EEPROM存储器、LCD、调试串口 RS-232 ;所述嵌入式MCU选择STM32F103ZET6，所述嵌入式MCU通过SPI2接口驱动FLASH存储器，所述FLASH存储器用于存储调整水平算法及控制LCD显示程序；所述嵌入式MCU通过FSMC接口与SRAM存储器连接，所述SRAM存储器用于存储调整水平程序运行时的数据；所述嵌入式MCU通过I2C接口连接EEPROM存储器，所述EEPROM存储器中用于存储倾角传感器校准的初始化数据，并通过I2C接口与嵌入式MCU通信；所述嵌入式MCU通过SPIl接口连接SCA100T-D01，用于获取倾斜角度并将各轴向倾斜角度并通过FSMC接口显示在IXD上；所述嵌入式MCU通过调试串口 RS-232调试程序。
[0012]本发明调整水平装置的方法的技术方案为:
[0013]一种调整水平装置的方法，在水平调整装置在控制中的具体步骤为:
[0014]步骤1:嵌入式控制器硬件初始化；
[0015]步骤2:嵌入式MCU对倾角传感器进行滤波，获取当前倾斜角度；
[0016]步骤3:嵌入式MCU根据倾角传感器的输出判断当前工作平面是否水平；
[0017]步骤4:如果水平则终止，如果不水平，则根据PID算法设定两个步进电机的驱动脉冲频率；
[0018]步骤5:根据对剪式千斤顶的建模分析得出的调平算法调整策略设置调整方向和调节距离；
[0019]步骤6:嵌入式MCU驱动步进电机执行调整；
[0020]步骤7:跳转至步骤3。
[0021]作为本发明的进一步改进，所述步骤2中对倾角传感器进行滤波，其中一阶滤波采用迭代阻尼滤波算法，二阶滤波采用中间值平均滤波算法；其中所述迭代阻尼滤波算法的步骤为:首先设置一个初始化阻尼，根据更新间隔和和上一次采样的结果计算出新的阻尼值，其输出值=本次采样值+阻尼值*(上次采样值-本次采样值)；经过滤波能够有效去除噪声干扰的同时，可以满足较高的调整精度；[0022]进一步，所述步骤4、所述步骤5的具体过程为:经滤波后的值为稳定的值，经嵌入式MCU判断若不水平，则根据该值计算调平该倾斜角所需脉冲当量个数，此处用PID算法控制，根据倾角传感器采集到的数据计算离目标点的距离，根据距离计算所需步进电机脉冲个数，根据距离目标点的远近设置速度信号的输出频率，如果实际点距离目标点较远，步进电机驱动脉冲频率比较高，如果实际点距离目标点较近，步进电机驱动脉冲频率会比较低；再依据调平算法控制策略设置步进电机转动方向和驱动脉冲个数，最后驱动步进电机执行调整方案。
[0023]本发明的有益效果:本发明装置具有结构简单，调整速度快、调整精度高和承重性好的特点。具体为:
[0024]I)由于采用了高性能MCU和PID闭环控制算法，该装置能在最短的时间内调整工作平面达到水平，大大提高了调整平衡的效率；
[0025]2)由于采用了剪式千斤顶的结构，该结构自锁性好，对于重型设备有更好的承载性；
[0026]3)由于采用阻尼型高精度倾角传感器，加上软件的多阶滤波，在有效去除噪声干扰的
[0027]同时，可以满足较高的调整精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是调整水平装置纵面构造图；
[0029]图2是剪式千斤顶运动模型；
[0030]图3是B点运动分析模型；
[0031]图4是剪式千斤顶受力分析模型；
[0032]图5是矩形螺纹受力平衡模型；
[0033]图6是空间坐标系模型；
[0034]图7是硬件连接模块图；
[0035]图8是软件流程图。
[0036]附图标记:1.丝杆，2.剪式千斤顶，3.步进电机，4.减速箱，5.步进电机驱动器，
6.固定支撑脚，7.控制电路及倾角传感器，8.柔性隔离罩，9.支撑平面。
【具体实施方式】
[0037]下面对剪式千斤顶做进一步建模分析。
[0038]1.剪式千斤顶的建模分析
[0039]根据实际剪式千斤顶运动情况知，螺杆运动副一段为铰接副，另外一段为移动副。当电机带动螺杆转动时，连接螺母相对于水平杆做水平运动并带动举臂升降(螺杆顺时针转动时，联接螺母相对于螺杆向着靠近铰接端运动，举臂上升；螺杆逆时针转动时，联接螺母相对于螺杆向着远离铰接端运动，举臂下降)。由此建立运动模型图，如图2，以D为坐标原点(0，O)，设螺杆与举臂的夹角为α (0° < α < 90° )，臂长为L，则铰接点A、顶点B和移动副C点的坐标分别为:
[0040]A: (XA, Ya) = (-L cos α，L sin α )[0041]B: (XB，YB) = (0，2L sina )
[0042]C: (Xc, Yc) = (L cos a , L sin a )
[0043]1.1运动速度分析
[0044]1.1.1C 点速度
[0045]由点的速度合成定理可知，点C在某瞬时的绝对速度等于它在该时间点的牵连速度与相对速度的矢量和，设C点的绝对速度为ifl牵连速度为相对速度为则:
[0046]
【权利要求】
1.一种调整水平装置，其特征在于:包括支撑平面(9)、执行机构、控制单元(7);所述执行机构和所述控制单元(7)均位于所述支撑平面(9)下部； 所述执行机构包括固定支撑脚(6)、两个剪式千斤顶驱动装置；所述固定支撑脚(6)、所述两个剪式千斤顶驱动装置分别位于所述支撑平面(9)下部一个三角形的三个顶点处；所述控制单元(7)位于所述固定支撑脚(6)所在顶点朝向对边中垂线的垂足处； 所述剪式千斤顶驱动装置包括剪式千斤顶(2)、减速箱(4)、步进电机(3)、步进电机驱动器(5);所述剪式千斤顶(2)中段的丝杆(I)连接所述减速箱(4)，所述减速箱(4)固定连接所述步进电机(3),所述步进电机(3)与所述步进电机驱动器(5)电连接,所述步进电机驱动器(5)固定于所述支撑平面(9)的下表面； 所述控制单元(7)包括倾角传感器、嵌入式控制器；所述倾角传感器和所述嵌入式控制器中的其中一个接口连接。
2.根据权利要求1所述的一种调整水平装置，其特征在于:所述支撑平面(9)上设置的所述三角形为正三角形，所述剪式千斤顶(2)顶端通过铆钉连接所述支撑平面(9)，所述剪式千斤顶(2)底端通过铆钉连接在基座上。
3.根据权利要求1所述的一种调整水平装置，其特征在于:所述倾角传感器选取SCA100T-D01倾角传感器，用于获取支撑平面(9)倾斜角度。
4.根据权利要求1所述的一种调整水平装置，其特征在于:所述嵌入式控制器包括嵌入式MCU、FLASH存储器、SRAM存储器、EEPROM存储器、LCD、调试串口 RS-232 ;所述嵌入式MCU选择STM32F103ZET6，所述嵌入式MCU通过SPI2接口驱动FLASH存储器，所述FLASH存储器用于存储调整水平算法及控制IXD显示程序；所述嵌入式MCU通过FSMC接口与SRAM存储器连接，所述SRAM存储器用于存储调整水平程序运行时的数据；所述嵌入式MCU通过I2C接口连接EEPROM存储器，所述EEPROM存储器中用于存储倾角传感器校准的初始化数据，并通过I2C 口与嵌入式MCU通信；所述嵌入式MCU通过SPII接口连接SCA100T-D01，用于获取倾斜角度并将各轴向倾斜角度并通过FSMC接口显示在IXD上；所述嵌入式MCU通过调试串口 RS-232调试程序。
5.一种调整水平装置的方法，其特征在于:所述水平调整装置在控制中的具体步骤为:步骤1:嵌入式控制器硬件初始化； 步骤2:嵌入式MCU对倾角传感器进行滤波，获取当前倾斜角度； 步骤3:嵌入式MCU根据倾角传感器的输出判断当前工作平面是否水平； 步骤4:如果水平则终止，如果不水平，则根据PID算法设定两个步进电机的驱动脉冲频率； 步骤5:根据对剪式千斤顶的建模分析得出的调平算法调整策略设置调整方向和调节距离； 步骤6:嵌入式MCU驱动步进电机执行调整； 步骤7:跳转至步骤3。
6.根据权利要求5所述的调整水平装置的方法，其特征在于:所述步骤2中对倾角传感器进行滤波，其中一阶滤波采用迭代阻尼滤波算法，二阶滤波采用中间值平均滤波算法。
7.根据权利要求6所述的调整水平装置的方法，其特征在于:所述迭代阻尼滤波算法的步骤为:首先设置一个初始化阻尼，根据更新间隔和和上一次采样的结果计算出新的阻尼值，其输出值=本次采样值+阻尼值*(上次采样值-本次采样值)。
8.根据权利要求5所述的调整水平装置的方法，其特征在于:所述步骤4、所述步骤5的具体过程为:经滤波后的值为稳定的值，经嵌入式MCU判断若不水平，则根据该值计算调平该倾斜角所需脉冲当量个数，此处用PID算法控制，根据倾角传感器采集到的数据计算离目标点的距离，根据距离计算所需步进电机脉冲个数，根据距离目标点的远近设置速度信号的输出频率，如果实际点距离目标点较远，步进电机驱动脉冲频率比较高，如果实际点距离目标点较近，步进电机驱动脉冲频率会比较低；再依据调平算法控制策略设置步进电机转动方向和驱动 脉冲个数，最后驱动步进电机执行调整方案。
【文档编号】G05D3/12GK103995542SQ201410184938
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月4日 优先权日:2014年5月4日
【发明者】鲍可进, 王耀辉, 石建荣 申请人:江苏大学