自動(dòng)平衡裝置的設(shè)計(jì)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(yùn)輸過(guò)程中顛簸晃動(dòng)，保持物品的完好性，研究設(shè)計(jì)了一種能夠隨物體擺動(dòng)而進(jìn)行調(diào)整角度使物體保持平衡穩(wěn)定的自動(dòng)平衡裝置，該裝置利用脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置進(jìn)行控制，在負(fù)載范圍內(nèi)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、校準(zhǔn)精度高、響應(yīng)速度快和工作性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)；平衡儀裝置；智能

中圖分類(lèi)號(hào)：TH13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

在互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代，交通運(yùn)輸便利程度日漸提升，人們對(duì)物品運(yùn)輸范圍的需求不斷擴(kuò)大，同時(shí)也對(duì)運(yùn)輸線(xiàn)上物品的完好率提出了越來(lái)越高的要求，特別是對(duì)于一些精、貴物品的運(yùn)輸更是如此。為滿(mǎn)足在交通運(yùn)輸上使特定物品保持平衡穩(wěn)定狀態(tài)的特殊要求，在非超載的條件下，利用步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制，研究設(shè)計(jì)了一種能夠隨物體擺動(dòng)而進(jìn)行調(diào)整角度使物體保持平衡穩(wěn)定的自動(dòng)平衡儀器，本文對(duì)該自動(dòng)平衡儀器的設(shè)計(jì)原理以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述和說(shuō)明。

1 裝置的設(shè)計(jì)原理及硬件構(gòu)成

1.1 二維自動(dòng)平衡儀設(shè)計(jì)原理

當(dāng)構(gòu)件產(chǎn)生晃動(dòng)時(shí)，由陀螺儀產(chǎn)生模擬數(shù)學(xué)信號(hào)傳給步進(jìn)電機(jī)控制單元主板，運(yùn)動(dòng)控制單元將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，之后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，最終將預(yù)定的控制方案、指令轉(zhuǎn)變?yōu)槠谕臋C(jī)械運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)精確地位置控制、速度控制以及加速度和力的控制。根據(jù)X軸（底座下的電機(jī)）和Y軸（平臺(tái)下的電機(jī)）的實(shí)際傾角，實(shí)時(shí)調(diào)整X軸和Y軸的位置，最終控制兩軸的姿態(tài)平衡。

1.2 硬件構(gòu)成

（1）陀螺儀傳感器

設(shè)計(jì)中陀螺儀傳感器選用MPU6050，其為整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器，它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP，可用I2C接口連接一個(gè)第三方的數(shù)字傳感器。為了精確跟蹤快速和慢速的運(yùn)動(dòng)，傳感器的測(cè)量范圍都是用戶(hù)可控的，陀螺儀可測(cè)范圍為±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度計(jì)可測(cè)范圍為±2，±4，±8，±16g。一個(gè)片上1024字節(jié)的FIFO，有助于降低系統(tǒng)功耗。和所有設(shè)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(duì)于需要高速傳輸?shù)膽?yīng)用，對(duì)寄存器的讀取和中斷可用20MHz的SPI。另外，片上還內(nèi)嵌了一個(gè)溫度傳感器和在工作環(huán)境下僅有±1%變動(dòng)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(shí)之軸間差的問(wèn)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(tài)解算器，運(yùn)用動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波算法，準(zhǔn)確解算出X軸和Y軸的傾角。姿態(tài)測(cè)量精度為0.01°。

（3）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（稱(chēng)為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速和定位的目的。

（4）步進(jìn)電機(jī)

是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

系統(tǒng)根據(jù)X軸和Y軸的實(shí)際傾角，實(shí)時(shí)調(diào)整X軸和Y軸的位置，最終控制兩軸的姿態(tài)平衡。

2 裝置的基本結(jié)構(gòu)

在底板上方安裝有基本框架1，在所述的框架1內(nèi)沿著框架1的一個(gè)對(duì)稱(chēng)軸方向安裝有第一轉(zhuǎn)軸，在所述第一轉(zhuǎn)軸上安裝有穩(wěn)定平臺(tái)8，沿著所述框架1的另一個(gè)對(duì)稱(chēng)軸方向上連接有第二轉(zhuǎn)軸，所述第二轉(zhuǎn)軸軸線(xiàn)與第一轉(zhuǎn)軸軸線(xiàn)垂直；在底板上安裝有陀螺儀傳感器和步進(jìn)電機(jī)（此處稱(chēng)為第二步進(jìn)電機(jī)），所述的第二步進(jìn)電機(jī)的輸出軸通過(guò)同步輪、同步帶與第二轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)帶輪相連。在所述的框架1上安裝有第一步進(jìn)電機(jī)，其輸出軸通過(guò)帶輪與第一轉(zhuǎn)軸上安裝的帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)相連，兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)5分別與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器6相連。當(dāng)?shù)装鍢?gòu)件產(chǎn)生晃動(dòng)時(shí)，由陀螺儀產(chǎn)生的模擬數(shù)字信號(hào)傳輸給步進(jìn)電機(jī)控制單元2，運(yùn)動(dòng)控制單元將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)輸出給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，接收到脈沖信號(hào)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器隨之驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，最終將預(yù)定的控制指令轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)期的機(jī)械運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)精確的位置、速度、加速度和力的控制，確保在穩(wěn)定平臺(tái)8上的物品能實(shí)現(xiàn)二維自動(dòng)平衡。

結(jié)語(yǔ)

本自動(dòng)平衡裝置在初步設(shè)計(jì)機(jī)械穩(wěn)定平臺(tái)基礎(chǔ)上，利用陀螺儀和步進(jìn)電機(jī)特性研制的一種穩(wěn)定、可靠的運(yùn)輸穩(wěn)定平臺(tái)裝置，其理論測(cè)試誤差率極小，該裝置具有在晃動(dòng)的環(huán)境中保持承載物平衡的特點(diǎn)，為降低物品運(yùn)輸破損率、提高自身智能化保護(hù)功能提供了理論基礎(chǔ)和依據(jù)，在軍艦、輪船、飛機(jī)等交通工具載運(yùn)重要物品及儀器方面具有重要意義；在醫(yī)療救護(hù)方面，可利用其構(gòu)造原理研制成具有平衡功能的擔(dān)架，用于轉(zhuǎn)移和運(yùn)送傷員，對(duì)保持傷員姿態(tài)平穩(wěn)、避免其受到顛簸中的二次傷害具有一定的保護(hù)作用。

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