CN103995542A - 一种调整水平装置及其方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种调整水平装置及其方法

技术领域

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

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)11-0032-04一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

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。

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。

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。

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。

本发明调整水平装置的技术方案为：

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。

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。

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。

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SPI1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LCD上；所述嵌入式MCU通过调试串口RS-232调试程序。

本发明调整水平装置的方法的技术方案为：

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：

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。

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；

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。

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：

1)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；

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；

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

同时，可以满足较高的调整精度。

附图说明

图1是调整水平装置纵面构造图；

图2是剪式千斤顶运动模型；

图3是B点运动分析模型；

图4是剪式千斤顶受力分析模型；

图5是矩形螺纹受力平衡模型；

图6是空间坐标系模型；

图7是硬件连接模块图；

图8是软件流程图。

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

下面对剪式千斤顶做进一步建模分析。

1.剪式千斤顶的建模分析

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(0，0)，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：

A：(X_A，Y_A)＝(-L cosα，L sinα)

B：(X_B，Y_B)＝(0，2L sinα)

C：(X_C，Y_C)＝(L cosα，L sinα)

1.1运动速度分析

1.1.1C点速度

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点的绝对速度为牵连速度为相对速度为则：

$\stackrel{\→}{V_{\mathrm{CA}}}=\stackrel{\→}{V_B}+\stackrel{\→}{V_r}$

设螺杆导程为S(mm)，表示螺纹上任一点沿同一条螺旋线旋转一周所移动的轴向距离。螺距为p(mm)，螺纹线数为x，螺杆转速为n(r/min)，螺母相对于螺杆的轴向速度为V(mm/s)。则：

S＝px(单线螺纹，x＝1)

$V=\frac{\mathrm{Sn}}{60}=\mathrm{np}/60$

在实际运动中，螺杆随着A点水平向右运动，C点相对于螺杆水平向左运动。当螺杆转动一圈，螺母相对于螺杆的轴向位移为S(mm)，A点和C点各有位移S/2(mm)，因此C点相对于螺杆水平向左运动的速度应为螺杆速度的一半，即：

$\stackrel{\→}{V_r}=\frac{V}{2}=\mathrm{np}/120$

由速度合成图可知：

$\stackrel{\→}{V_{\mathrm{CA}}}=\stackrel{\→}{V_r}/\sin \mathrm{\α}$

所以

$\stackrel{\→}{V_{\mathrm{CA}}}=\frac{\mathrm{np}}{120\sin \mathrm{\α}}$

1.1.2B点速度

由理论力学知识可知，举臂可以视为刚体，从而可以用刚体的平面运动方法加以分析求解。平面图形内任一点的速度等于基点的速度与该点随图形绕基点转动的速度的矢量和，则B点的运动速度合成分析如图3.

以C点为基点求B点的速度，则：

$\stackrel{\→}{V_B}=\stackrel{\→}{V_C}+\stackrel{\→}{V_{\mathrm{BC}}}$

式中，表示基点C的绝对速度，即

将上式分别对x，y轴投影，得：

$\left\{\begin{array}{c}0=-\stackrel{\→}{V_C}\sin \mathrm{\α}+\stackrel{\→}{V_{\mathrm{BC}}}\sin \mathrm{\α}\\ \stackrel{\→}{V_B}=\stackrel{\→}{V_C}\cos \mathrm{\α}+\stackrel{\→}{V_{\mathrm{BC}}}\cos \mathrm{\α}\end{array}\right.$

又因为V_C＝lω₁，V_SC＝lω₂，ω₁＝ω₂，(l为举臂长度)，得：

V_B＝2V_Ccosα

又因为 ${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{CA}}=\frac{\mathrm{np}}{120\sin \mathrm{\α}},$ 代入上式得：

V_B＝npcotα/60

其中V_B一B点上升速度，mm/s；n一螺杆转速，r/min；p一螺杆螺距，mm；α-螺杆与举臂夹角，°。

1.2受力分析

千斤顶支撑点B受到来自重物的重力G，两上举臂受到压力沿举臂轴线向下，举臂对支撑点B的支撑力为其反作用力，大小相等、方向相反。受力分析模型如图4。以举臂BC为研究对象，它受到来自于重物的压力T₂和来自于螺杆移动副的约束力T₃，因此这是一个二力杆，其受力平衡。故此T₂和T₃等值，反向。又因为举臂AB和举臂BC关于y轴对称，举臂BC和举臂CD关于x轴对称，所以T₁＝T₂＝T₃＝T₄。

1.2.1B点受力分析

设千斤顶需顶起重量为G，B点受到重物的压力G和举臂AB、举臂BC的反作用力T′₁和T′₂，此三力平衡，故：

T′₁sinα+T′₂sinα＝G

1.2.2C点受力分析

在螺杆连接处C点收到举臂BC、举臂CD沿举臂轴线向外的反作用力T′₃和T′₄，同同时，还受到螺杆轴向拉力F，此三力平衡，故：

T′₃cosα+T′₄cosα＝F

式中：T′₁＝T′₂＝t′₃＝T′₄＝T，故：

$T=\frac{G}{2\sin \mathrm{\α}}$

F＝G cotα

式中：F-螺杆受到的轴向拉力，N；T-举臂受到的轴向压力，N；G-被顶举重物的重量，N；α-螺杆与举臂的夹角，°。

1.3丝杆螺纹受力平衡条件

首先研究作用在矩形螺纹上各力的关系。将矩形外螺纹沿中径d₂展开，得到一斜角为升角的斜面，如图5。当以力F_t推受有轴向力F的滑块(相当于螺母)，若滑块沿斜面上升(相当于移动副沿轴向向内运动，顶块上升)。这时，应满足下述力平衡条件。

式中μ-摩擦系数，用摩擦角ρ的正切代替μ，上式整理后得2

若滑块沿斜面下降，这时F_t是阻力，而摩擦力改变方向，重复上述推导，得到：

对摩擦系数μ查表，知μ∈[0.12，0.20]；则摩擦角：

ρ＝arctanμ＝arctan(0.20)＝11.31°

对螺杆从耐磨性、自锁性和稳定三方面计算，结果如下：螺距：P＝2mm，螺杆升角：螺杆效率：η＝31.3％，那么，推力：

又根据受力分析模型知：

F＝G cotα

因为底座有三个撑脚，每个撑脚需支撑质量的1/3，设备质量为G，则：

设比减速比为X，半径为R，则步进电机所需扭矩T为：

$T=F_t\×R\×X=\frac{1}{12}\mathrm{GRX}\cot \mathrm{\α}$

2.控制方案设计

假设：空间直角坐标系中，平面ABC初始位置为水平，现用SCA100T-D01倾角传感器，使传感器两边分别与X轴、Y轴平行，传感器水平方向中垂线与正三角形ABC中BC边上中垂线AD重合，三角形边长为L，如图6，那么初始位置，各点坐标如下：A：(0，0，0)，B：C：现在，平面沿x轴转动角度θ_x，沿y轴转动θ_y，那么此时各点坐标变化如下：首先A点坐标不变A：(0，0，0)对B、C点分析，因为此时传感器装在平面上，故随着平面一起转动。

2.1对x轴的投影分析

平面绕y轴转动角度θ_y，此时B点对x轴投影为C点对x轴投影为平面再绕x轴转动角度θ_x，此时B点对x轴投影为：

$\frac{\sqrt{3}}{2}L\cos {\mathrm{\θ}}_y-\frac{{\mathrm{\θ}}_x}{\mathrm{\π}}L\sin {\mathrm{\θ}}_y$

C点对x轴投影为：

$\frac{\sqrt{3}}{2}L\cos {\mathrm{\θ}}_y+\frac{{\mathrm{\θ}}_x}{\mathrm{\π}}L\sin {\mathrm{\θ}}_y$

2.2对y轴的投影分析

平面绕x轴转动角度θ_x，此时B点对y轴投影为C点对y轴投影为此时，再对y轴旋转任意角度，B、C对y轴的投影均不改变。

2.3对z轴的投影分析

平面绕x轴转动角度θ_x，此时B点对z轴投影为C点对z轴投影为平面再绕y轴转动角度θ_y，此时B点对z轴投影为：

$\frac{L}{2}\sin {\mathrm{\θ}}_x+\frac{\sqrt{3}}{2}L\sin {\mathrm{\θ}}_y$

C点对z轴投影为：

$-\frac{L}{2}\sin {\mathrm{\θ}}_x+\frac{\sqrt{3}}{2}L\sin {\mathrm{\θ}}_y$

根据分析，平面沿x轴转动角度θ_x，沿y轴转动θ_y，此时各点坐标如下：

A：(0，0，0)

B： $(\frac{\sqrt{3}}{2}L\cos {\mathrm{\θ}}_y-\frac{{\mathrm{\θ}}_x}{\mathrm{\π}}L\sin {\mathrm{\θ}}_y,-\frac{L}{2}\cos {\mathrm{\θ}}_x,\frac{L}{2}\sin {\mathrm{\θ}}_x+\frac{\sqrt{3}}{2}L\sin {\mathrm{\θ}}_y)$

C： $(\frac{\sqrt{3}}{2}L\cos {\mathrm{\θ}}_y+\frac{{\mathrm{\θ}}_x}{\mathrm{\π}}L\sin {\mathrm{\θ}}_y,-\frac{L}{2}\cos {\mathrm{\θ}}_x,\frac{L}{2}\sin {\mathrm{\θ}}_x+\frac{\sqrt{3}}{2}L\sin {\mathrm{\θ}}_y)$

那么，若是由传感器得知x轴向偏角θ_x，y轴偏角θ_y，以x轴，y轴正方向为正，则可知应做如下调整：

1)θ_x＞0，θ_y＞0：B点C点先同时下降B点上升C点下降

2)θ_x＞0，θ_y＜0：B点C点先同时上升B点上升C点下降

3)θ_x＜0，θ_y＞0：B点C点先同时下降B点下降C点上升

4)θ_x＜0，θ_y＜0：B点C点先同时上升B点下降C点上升

以下将结合附图来进一步详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，一种调整水平装置，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1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。

上述支撑平面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。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9倾斜角度。此外，为了防尘，所述剪式千斤顶驱动装置外部设有柔性隔离罩8，该柔性隔离罩8可以适当伸缩，分别与支撑平面9和剪式千斤顶2底端的基座连接。

本发明的硬件设计为：

如图7所示，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SPI1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LCD上；所述嵌入式MCU通过调试串口RS-232调试程序。

上述嵌入式控制器的外围器件包括：64KB SRAM存储器、512KB FLASH存储器、3个SPI、2个I²C、5个串口等众多资源，MCU通过GPIO输出两路信号控制步进电机驱动器的速度和方向，为防止SCA100T-D01的校准数据掉电丢失，将其校准数据通过I²C接口存在EEPROM存储器上，EEPROM存储器选择AT24C02，容量为256Byte。采用仪表级别的高精度倾角测量芯片SCA100T-D01作为倾角传感器，该传感器留有SPI接口，数字量输出，微控制器通过FSMC接口驱动LCD，倾斜角度可以通过LCD显示。

微控制器根据SCA100T-D01采集到的倾角，制定调整水平方案，通过步进电机驱动器驱动步进电机执行调整方案，电路预留RS-232调试接口。

引脚定义如下表：

序号	信号	说明
			1	SPI2_CLK	输出，SPI2从器件驱动时钟

2	SPI2_MO	输出，高电平有效，SPI2主设备输出从设备输入
			3	SPI2_MI	输入，高电平有效，SPI2主设备输入从设备输出
4	F_CS	输出，低电平有效，从设备片选信号
			5	I2C_SCL	输出，EEPROM存储器时钟
6	I2C_SDA	双向，EEPROM存储器数据信号
			7	FSMC_A[0：15]	双向，三态，地址总线
8	FSMC_D[0：15]	双向，三态，数据总线
			9	FSMC_NBL1	输出，偶字节读写控制
10	FSMC_NBL1	输出，奇字节读写控制
			11	FSMC_OE	输入，高电平有效，FSMC输出使能
12	FSMC_WE	输入，高电平有效，FSMC写使能
			13	FSMC_NE3	输出，低电平有效，FSMC从设备片选SRAM存储器
14	FSMC_NE4	输出，低电平有效，FSMC从设备片选LCD
			15	PBO	输出，高电平有效，LCD背光开启信号
16	SPI1_SCK	输出，SCA100T-D01时钟
			17	SPI1_MO	输出，高电平有效，SPI1主设备输出从设备输入
18	SPI1_MI	输入，高电平有效，SPI1主设备输入从设备输出
			19	USART_RX	输入，高电平有效，串口输入
20	USART_TX	输出，高电平有效，串口输出
			21	PF8	输出，步进电机驱动器1的脉冲信号
22	PF9	输出，步进电机驱动器1的方向信号，0正转，1反转
			23	PF10	输出，低电平有效，步进电机驱动器1使能信号
24	VCC	电源
			25	PE2	输出，步进电机驱动器2的脉冲信号
26	PE3	输出，步进电机驱动器3的方向新号，0正转，1反转
			27	PE4	输出，低电平有效，步进电机驱动器2使能信号

本发明的软件设计为：

如图8所示，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：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。

首先对硬件进行初始化，然后对SCA100T-D01的输出数据进行迭代阻尼滤波，以防止干扰所产生的抖动对调整水平的干扰；

其次微控制器根据倾角传感器SCA100T-D01的输出判断当前工作平面是否水平，假设此时工作平面处于倾斜状态如图6，需要进行水平调整，假设此时SCA100T-D01采集到的值为：x轴+3°，y轴+5°，正三角形边长为60cm；

那么程序开始计算所需调整的距离：根据前面介绍的调平算法知：

B点需调节的距离为：

$\frac{L}{2}\sin {\mathrm{\θ}}_x+\frac{\sqrt{3}}{2}L\sin {\mathrm{\θ}}_y\≈3.834\mathrm{cm}$

C点需要调节距离为：

$-\frac{L}{2}\sin {\mathrm{\θ}}_x+\frac{\sqrt{3}}{2}L\sin {\mathrm{\θ}}_y\≈0.694\mathrm{cm}$

根据调整策略，B点方向下降，C点方向下降；

根据距离分别设置两个步进电机的速度，根据PID算法动态设置调整速度。如上所示，B点距离目标点较远，步进电机驱动脉冲频率应该比较高，C点距离目标点较近，步进电机驱动脉冲频率应该比较低；

根据计算，此时B点应发送11755个脉冲信号，C点应发送1685个脉冲；

微控制器驱动步进电机执行调整方案，进行下一次检测判断，如果水平则停止检测，如果不水平，则继续重复上述步骤。

为了适应具体的工作环境，避免周围的噪声、震动等带来的干扰，导致无法调平的情况，应对倾角传感器进行多阶软件滤波，本装置步骤2中第一阶滤波为迭代阻尼滤波，该迭代阻尼滤波算法步骤为：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)。函数表示如下：

float cal DampK(float f){

float f1；

f1＝2*f+UPDATERATE；//UPDATERATE为更新时间间隔，单位为s，此处为0.05

if(f1)

return(2*f-UPDATERATE)/f1；

else

return0.5；

}

DampK＝cal DampK(dampvalue)；//dampvalue为阻尼值单位为sf＝f1+DampK*(f0-f1)；//f为本次算出的值，f0为上次的值，f1为此次采样的值。二阶滤波采用中间值平均滤波算法，该算法思想为，连续采样N个数据，对这N个数据进行排序，去除一个最大值，一个最小值，其余数值之和除以N-2，该滤波方法可以滤掉奇异数据。

步骤4和步骤5中，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。

综上所述，采用PID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，由于丝杆螺纹升角小于螺旋副的当量摩擦角，所以该执行机构具有良好的自锁性。设备对支撑平面的重力不直接作用于步进电机，故可以支撑较重设备。

本发明在多个领域均有重要用途，例如在计量检定领域的高精度仪器的摆放；建筑工程领域的经纬仪的摆放，医疗领域放射性治疗仪的摆放，也可以结合加速度传感器，在汽车转向时调整车的重心，增加车辆平稳性与安全性等等。

Claims (8)

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(1)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口与嵌入式MCU通信；所述嵌入式MCU通过SPI1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LCD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。