MEMS加速度傳感器的自動校準(zhǔn)平臺

將電機(jī)軸設(shè)計為中空的螺母式結(jié)構(gòu)，支腳就是旋人其中的螺桿。平臺的支撐架由兩部分組成：電機(jī)和臺面構(gòu)成的整體、旋在電機(jī)軸內(nèi)的螺桿。螺母及其相連的內(nèi)筒固定不動而螺桿旋轉(zhuǎn)，帶動電機(jī)以及上面的平臺一起作直線運動。這種螺旋傳動的方式將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，從而實現(xiàn)平臺的升降，并且能在任何高度自鎖。
如圖4所示，單片機(jī)收到加速度傳感器送來的傾角信息后，在實時顯示的同時按照預(yù)先設(shè)定的控制算法，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。電機(jī)軸的正反轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為支撐軸的上升和下降，從而實現(xiàn)對傾斜平面的調(diào)平。
3．3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
自動校準(zhǔn)平臺的程序流程如圖5所示，其中最主要的部分是角度信號的采集、數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理以及電機(jī)的自動控制。信號采集環(huán)節(jié)主要是完成傳感器與單片機(jī)之間的I2C串口通信；數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)包括正負(fù)角度值修正、傳感器輸出的線性化處理以及軟件濾波；電機(jī)控制環(huán)節(jié)包括快慢檔調(diào)節(jié)、零點鎖定和PID控制。

其中，電機(jī)控制與平臺調(diào)平直接相關(guān)。系統(tǒng)根據(jù)檢測到的傾角大小，在不同的傾角范圍采取不同的調(diào)平速度和調(diào)平精度。傾角較大時調(diào)平精度較粗，電機(jī)一次轉(zhuǎn)動的步數(shù)較多，支撐軸的伸出速度越快，調(diào)平速度就越快；傾角小于低速閾值時，電機(jī)轉(zhuǎn)動頻率降低，支撐軸的伸出速度變慢，使平臺形變和支腿伸出速度過快所帶來的不良影響得以減小，從而在整體上兼顧了調(diào)平速度和調(diào)平精度。
從實際應(yīng)用出發(fā)，考慮到當(dāng)基座調(diào)平完成后，平臺上的設(shè)備便開始工作，如果該設(shè)備在運行過程中產(chǎn)生振動，則必然導(dǎo)致基座不穩(wěn)定。若不加任何防范措施，其結(jié)果就是平臺上設(shè)備工作的同時基座繼續(xù)調(diào)平，這對于設(shè)備的正常運行是非常不利的。特別當(dāng)其應(yīng)用于吊車、火炮等有較高穩(wěn)定性要求的調(diào)平場合時，上述情況是非常危險的。因此，在原先的基礎(chǔ)上增設(shè)了調(diào)平完成后的自鎖定功能，以及手動解鎖按鈕。
整個調(diào)平過程是一個離散化的動態(tài)趨近過程。在系統(tǒng)跟蹤傾角狀態(tài)的每個周期，平臺都逐步逼近水平位置，直至與水平面的差別小于停機(jī)閾值。此時電機(jī)停轉(zhuǎn)，平臺鎖定，系統(tǒng)默認(rèn)一次校準(zhǔn)任務(wù)完成。在下一次基座調(diào)平任務(wù)來臨之前，需要手動操作解鎖按鈕，以喚醒系統(tǒng)工作。從系統(tǒng)動態(tài)調(diào)平的思想中可以看出，兩臺電機(jī)的擺放位置并不是固定的，只要3個支撐點不共線，平臺就可以實現(xiàn)自動調(diào)平。
為使系統(tǒng)更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確的完成調(diào)平工作，采用了基于PID的反饋控制算法。傳統(tǒng)的PID控制結(jié)構(gòu)如圖6所示，虛線框內(nèi)是PID控制器，R(s)為輸入量，C(s)表示復(fù)雜系統(tǒng)輸出，B(s)是反饋量，控制偏差信號E(s)=R(s)-B(s)，G。(s)表示被控過程，D(s)為外界干擾，N(s)是傳感器噪聲。