自平衡激光水平儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邵陽學(xué)院信息工程學(xué)院 向延輝 江世明 米靈勇

激光水平儀是一種新型的激光類小型測繪測量儀器，放置在某個點(diǎn)，就能在墻面投射出相互垂直的水平直線和垂直線，起到標(biāo)定基準(zhǔn)線的作用。傳統(tǒng)的激光水平儀，是通過人為調(diào)節(jié)，使水平方向與水平面平行，垂直方向達(dá)到鉛垂。由于不同人的視角存在差異，因此傳統(tǒng)的激光水平儀不可避免存在人為誤差。針對傳統(tǒng)激光水平儀存在人為調(diào)節(jié)誤差，提出了自平衡的激光水平儀方案，并對方案進(jìn)行了說明。文章詳細(xì)介紹了角度檢測電路、自平衡調(diào)節(jié)電路、激光控制電路設(shè)計(jì)。在20°度范圍內(nèi)，對實(shí)物進(jìn)行了測試，測試的結(jié)果表明，該水平儀測量誤差為3.29mm，滿足普通水平測量需要，作為標(biāo)定基準(zhǔn)線使用，該產(chǎn)品具有智能化程度高，造價低等特點(diǎn)。

1 自平衡激光水平儀結(jié)構(gòu)原理

自平衡激光水平儀，系統(tǒng)組成如圖1所示。角度傳感器采用MPU-6050，CPU用STM32，步進(jìn)電機(jī)用28BYJ-48，顯示器采用OLE串行顯示屏。系統(tǒng)在程序控制下，讀取角度傳感器的值，通過計(jì)算得到步進(jìn)電機(jī)的調(diào)整值，控制步進(jìn)電機(jī)達(dá)到系統(tǒng)自平衡。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

光水平儀的結(jié)構(gòu)如圖2所示，1、2是水平調(diào)節(jié)裝置，3是固定支架。在水平面上，安裝有傳感器，控制器及激光發(fā)射器。控制器不斷讀取傳感器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后得到步進(jìn)電機(jī)的調(diào)節(jié)值，通過控制圖3的調(diào)節(jié)裝置（圖2中的1、2），從而達(dá)到水平。

圖2 自平衡激光水平儀結(jié)構(gòu)

圖3 水平調(diào)節(jié)裝置

2 自平衡激光水平儀設(shè)計(jì)

2.1 角度檢測

角度檢測用MPU-6050傳感器，其主要技術(shù)參數(shù)如下：

供電電源：DC3.3V/5V；

通信方式：IIC，通信速度400KHz(Max)；

ADC位數(shù)：16位；

角度檢測電路如圖5所示。

圖4 激光投射

圖5 角度檢測電路

STM32的PA7、PA6與角度傳感器MPU6050相連，STM32與MPU6050之間，通過IIC總線，實(shí)現(xiàn)對MPU6050的系統(tǒng)初始化配置。

unsigned char MPU_Read_Len(u8 addr,u8 reg,u8 len,u8 *buf)是IIC連續(xù)讀取函數(shù)。

Addr：器件地址；

reg：要讀取的寄存器地址；

len：要讀取的長度；

buf：讀取到的數(shù)據(jù)的存儲區(qū)。

STM32通過函數(shù)向IIC總線上發(fā)送MPU6050器件地址（0x68）+寫命令；寫入陀螺儀數(shù)據(jù)輸出寄存器地址（0X43~0X48）+讀命令；通過IIC讀取陀螺儀數(shù)據(jù)寄存器的值。陀螺儀有6個數(shù)據(jù)寄存器，讀取6個寄存器的值，就可以讀到陀螺儀X、Y、Z軸的值。

unsigned char MPU_Write_Len(u8 addr,u8 reg,u8 len,u8 *buf)是IIC連續(xù)寫入函數(shù)，用法與IIC連續(xù)讀函數(shù)類似，用于初始化時對MPU6050進(jìn)行配置。

將得到的原始數(shù)據(jù)，利用MPU6050自帶的數(shù)字運(yùn)動處理器DMP，和InvenSense提供的嵌入式運(yùn)動驅(qū)動庫，結(jié)合MPU6050提供的固件庫，得到俯仰角pitch、滾轉(zhuǎn)角roll和偏航角yaw，實(shí)現(xiàn)程序如下：

2.2 自平衡調(diào)節(jié)

2.2.1 步進(jìn)電機(jī)控制電路

激光水平儀的自平衡是通過對步進(jìn)電機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)的，步進(jìn)電機(jī)控制電路如圖6所示。

圖6 步進(jìn)電機(jī)控制電路

步進(jìn)電機(jī)選用28BYJ-48，其主要技術(shù)參數(shù)是：①相數(shù)：四相；

②驅(qū)動方式：1-2相勵磁單極驅(qū)動；

③步距角：11.25/64（輸出軸），減速比1/64；④電壓：5VDC(電機(jī)端子)；

圖3中，套筒內(nèi)螺紋采用M10*1.5內(nèi)螺紋，因此，步進(jìn)電機(jī)升降高度L，與脈沖數(shù)的關(guān)系為：脈沖數(shù)=(L/1.5)*360/(11.25/64)=(L/1.5)*2048。

2.2.2 步進(jìn)電機(jī)控制

3 系統(tǒng)調(diào)試

根據(jù)國標(biāo)GB/T 20920-2007，用惠利水準(zhǔn)儀，在20°范圍內(nèi)，對系統(tǒng)進(jìn)行測試。觀察到，水平儀在X、Y、Z三個方向，在20°范圍內(nèi)，無論怎么放置，系統(tǒng)都能自動達(dá)到水平。在20°范圍內(nèi)，分別對X、Y、Z三個方向，對平衡度進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 X、Y、Z三個位置平衡能力測試結(jié)果（20°以內(nèi)）

水平儀平衡誤差=(X誤差+Y誤差+Z誤差)/3=(2.98+3.3+3.61)/3=3.29mm。

對照國家標(biāo)準(zhǔn)（GBT10156-2009）：1km往反偏誤0.2-0.5mm（高精密）；1mm（精密）；1.5-4(普通)，本水平儀能滿足普通水平測試需要。

針對傳統(tǒng)激光水平儀存在的問題，設(shè)計(jì)了自平衡激光水平儀。從樣機(jī)測試看，該水平儀在0-20°范圍內(nèi)，能自動平衡，平衡誤差為：3.29mm，滿足普通水平測量需要。該水平儀用于基建行業(yè)，作為普通標(biāo)定基準(zhǔn)線使用。