一种车载平台随动自调平系统设计

邱兵 李凡贡

（中国电子科技集团公司第二十二研究所 山东省青岛市 266107）

在现代地球物探领域内，制约光电搜索仪探测目标体位置与成像度精度的主要因素是仪器工作平台在机动车载体行进过程中无稳定的水平度，以往行业内的应用对象是使载体处于固定位置后再提供稳定工作平台供搜索仪进行探测[1]，这已很难满足现代随动不间断测量的要求。以此为出发点，项目以自动控制理论为引导，设计了一种三点刚性机电式支撑随动自调平系统，在硬件模块上运用PID 自控算法，实现了载体在行进过程中也能为搜索仪全时刻无间断提供稳定水平工作平台，且调平时间短、调平精度高，可靠性高，适应外界复杂地形能力强。

1 系统调平方案

1.1 调平系统

光电搜索仪车载平台自调平系统主要由检测装置、执行机构、控制系统以及电源模块四部分组成，用于载车在行进过程中随动不间断地将支撑仪器的平台由轻微倾斜姿态调整至水平基准内，降低外界不规则地形对搜索仪探测微弱信号精度的影响。

（1）检测装置采用一种双轴倾斜角度传感器测量搜索仪工作平台相对于水平基准平面的倾斜度，角度输出值的大小及分辨率是自调平系统步进调平与判定平台精度的评定依据。

（2）自调平系统采用三点刚性机电式支撑结构作为系统的执行机构，其固定辅助支撑轴与两条可移动步进轴通过球铰链与上平台链接，三轴呈等腰直角三角形分布，可移动轴采用精密滚珠丝杆结构将伺服步进电机转轴的旋转运动转换为系统步进调平伸缩的直线运动[2]。

（3）控制系统是光电搜索仪车载平台自调平系统的关键组成部分，其采用微控制器处理芯片作为模块的大脑，以高精度模数转换器ADC 模块采集到的姿态传感器的输出倾角值作为系统输入反馈值，与平台给定的平面水平度做比较求偏差后，输入经典PID 控制器中输出执行机构所需要的脉冲值，驱动步进电机步进伸缩调平。

（4）电源模块主要为步进执行机构、检测装置、控制系统以及相关外围电路提供稳定的能量来源。

1.2 调平方法

如图1所示，光电搜索仪工作平台是根据X-Y 轴双轴姿态传感器检测到的平台的倾斜角度来判定直角三角形的两个可移动顶点A、C相对于直角顶点O的高低，采用“两点确定一线、两线确定一面”的方法来进行探测仪工作平台自调平。平台的X 轴、Y 轴与直角三角形的两条直角边平行，且倾角传感器的测量敏感轴也应与X 轴、Y 轴保持平行。定义传感器检测到平台X 轴与水平基准X基的夹角为俯仰角pitch，记p，检测到的平台Y 轴与水平基准Y基的夹角为横滚角roll，记γ，平台自调平过程如图1。

根据已知相关的机械结构参数，工作平台的俯仰、横滚角度，可以反解出两条可移动副的步进距离[3]，如公式（1）所示：

受困于系统结构方面兼容配合误差、伺服传动机构反向间隙、死区影响等不可定量分析因素影响，本次设计采用分布调平，“先步进粗调、再PID 微调”，即系统依据式（1）先大幅步进，后以给定的水平精度与反馈的X 轴、Y 轴角度的偏差为输入，电机步进脉冲个数为输出，运用PID 算法，试凑比例P、积分I、微分D 三个参数，最终实现系统稳、准、快自调平。

2 调平系统硬件设计

基于车载光电搜索仪工作平台自调平系统控制原理，项目在设计过程中选择了TI 公司设计的超低功耗型MSP430F2132 芯片作为系统信号微控制器，在充分利用其自带资源的基础上设计了如图2所示的硬件结构。

2.1 系统电源电路设计

在光电搜索仪车载平台自调平系统中，考虑到市电电源会对搜索仪探测过程叠加入交流信号干扰，项目在设计过程中采用了+48V、12A 型大容量锂电池供能，经DC-DC 模块URF4824QB-100WR3（最大输出电流4.2A）稳压出两路+24V 为步进执行机构提供电源，同时通过另一片DC-DC 模块URF4824MT-3WR3 稳压出+24V 后，经电压转换芯片LWR50410、LM1117-3.3 降至+5V、+3.3V 为微控制器、双轴姿态传感器、运放以及ADC 模块提供能量来源。

2.2 X-Y轴倾斜度检测传感器

X 轴、Y 轴倾斜度检测电路是系统硬件模块设计的核心，其检测精度的高低直接影响着系统最终的自调平精度。项目以ADI 公司生产的双轴高精度MEMS 型加速度计ADXL203 为系统的姿态检测传感器，通过测量静态重力加速度变化，来敏感X 轴、Y 轴相对大地水平面的倾斜度。平台的姿态角通过式（2）求解：

式中，Xout、Yout 为X 轴、Y 轴加速度输出电压值，k 为与电源电压成比例的输出灵敏度，在Vs=5V 时，k=1000mg/V，Ax、Ay为归一化到-1g～+1g 范围内后X、Y 两轴的加速度。

2.3 角度信号A/D采集模块

微控制器片上集成有接口为SPI 模式的12 位ADC 采集模块，其最小分辨率为2.5/4096=0.6mV，完全满足Xout、Yout 输出电压大小与分辨力的采集要求。

2.4 调平控制驱动电路设计

本项目设计的执行机构中的基础构件为57 型伺服步进电机，在工业过程控制中通常运用的方案是通过微控制器产生一定频率但可调、个数可控的PWM 脉冲小信号，经与之功率匹配的步进驱动器来细分PWM 脉冲数，并大功率驱动电机步进[4]，同时在微控制器与驱动器之间应设计控制引脚电平兼容模块。本设计中选用市面上常见的57 式带编码型步进驱动器，电平转换芯片选用六通道SN74HC04，控制信号接线方式为共阳极，驱动电路如图3所示。

3 调平系统软件算法

3.1 步进调平PID控制算法设计

平台执行机构是将伺服电动缸转轴的回转运动转换为可移动副的直线步进伸缩运动，对应的输入输出关系为一种二阶系统，传递函数为：

式（3）中：为电机输入转角，Y(s)为直线输出位移，S 为丝杠导程，KL是等效到丝杠轴上的机械传递装置总刚度，n 为齿轮减速比，JL是等效到轴上的总惯量，fL为等效到丝杠轴上的导轨粘性阻尼系数。

考虑到式（3）仅仅是根据系统的已知结构参数推算而得，非较为准确。故在系统中结合了自控理论中经典PID 控制算法不过分依赖被控对象的数学模型也能取得较好控制结果这一特点[6]，来对步进执行机构进行驱动，期望获得良好的控制效果。如图4所示，以单轴X 轴为例，系统PID 控制算法原理可简要归纳为：首先检测提取倾角传感器实际检测值ρout与目标期望值ρin的偏差值e，经比例P、微分D、积分I 单元线性叠加整定后，输出控制变量u 来驱动执行机构步进调平，控制器的三个参数在兼顾另一轴参数时采用“试凑法”获取。

3.2 自调平控制算法软件流程图

要实现系统实时自调平，还需将平台理论控制算法转换为能够在微控制器中运行的离散化软件程序，故此编写了如图5所示的算法实现流程图：首先对平台的初始姿态倾角进行采样得到当前k 时刻的X 轴、Y 轴倾斜角ρ(k)、γ(k)，根据系统“粗细”调平的阈值范围±1°驱动执行机构或大幅度调平或步进PID 微调。若倾角|ρ(k)|>1°、|γ(k)|>1°，步进电动缸则再根据两个倾角的具体范围较大幅度地或步进伸长或步进缩进L，后再进行倾角采样、判断、动作；若-1°≤ρ(k)≤1°、-1°≤γ(k)≤1°，系统再根据细化后的倾角范围，进行PID 参数试凑整定，并输出控制量ux(k)、uy(k)驱动执行机构微调，并返回A/D 模块采集倾角数据、判断、动作。如此循环执行、采集、判断，当倾角满足系统调平精度-0.1°≤ρ(k)≤1°、-0.1°≤γ(k)≤0.1°时，步进电机不再动作，车载工作平台到达水平位置内。

图1：平台调平过程简图

图2：平台自调平系统硬件结构设计框图

图3：输入控制信号单端共阳级接法

图4：经典PID 控制器原理框图

图5：自调平控制算法软件实现流程图

4 结果

经外场试验，项目设计的控制系统软硬件在光电搜索仪机动车载体行进过程中成功完成了对工作平台的随动不间断自调平，且调平时间、调平精度都优于设计指标要求。通过单位质量管理体系认证后，已小批量投产装备于某型光电探测仪机动载体上，成功应用于地下管线、孔洞以及雪面冰层厚度等方面的光电物测过程中。同时，文中提出的自调平算法、调平流程，以及设计的调平系统软硬件通用性较好、可移植性较高，可适用于其它需要随动自调平设备的应用中，具有一定的推广价值。