帆板平台平衡调整系统

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1、帆板平台平衡调整系统数理信息学院电信081孙张明摘要：本系统采用C8051F020单片机作为主控芯片，使用倾角传感器SCA100T检测平台倾角，直线电动推杆提供动力输出。选用NOKIA5110液晶屏作为角度显示输出，4*4矩阵小键盘作为角度设定输入；也可以通过2.4G无线芯片进行角度设定输入。机械方面采用8mm木板作为承重平台，水平滑轨和球形关节提供所需的自由度，同时保证各个部件有足够的机械强度。控制方面采用大角度时，采用全速运行模式；小角度时，用增量式PID算法进行微调，实现平台的高精度控制，同时消除震荡。通过

2、测试和论证，系统可满足基本要求和大部分所有发挥部分所列之要求，并有创新。关键字：倾角传感器；直线电动推杆；增量式PID控制；C8051F020单片机一、引言承载平台平衡调整系统可以看作是以倾角传感器为反馈的伺服控制系统。本系统可分为两部分，一部分是通过机械结构将电机的平动和转动转换为平台的角度，另一部分是通过倾角传感器的测量值经过计算反馈调节动力机构的运动，到达并稳定在目标角度。机械上需要固定一个平面至少需要三点连接，从机械加工的精度和控制的复杂度方面考虑，三点连接最容易实现，所以本方案优先考虑使用三点连接平台。

3、若固定此三点在地面的投影，则平台处连接需要两个转动自由度和一个相对与平面的平动自由度。以机械简明可靠考虑，选择固定三个支撑部分相对地面位置和角度，三点与平台有两个转动和一个平动的被动自由度。通过两个直线电动推杆的伸长与收缩控制平台两个方向的抬升和下降。从理论上分析，必须有两个矢量方向不重和的倾角传感器才可以测量平台当前的倾角。简明起见，方案采用倾角传感器SCA100T进行X轴和Y轴两个矢量方向的角度检测。二、方案论证1.机械结构承载平台平衡调整系统题目要求实现一个数控的倾角可调的矩形承载平台，因此机械结构的设计是

4、该题目方案设计的一个重要的组成部分。在机械结构方面得到如下两个方案。方案一：使用伺服电机实现类似云台的机械结构。此方案的优点在于结构简单，易于加工。但是此方案存在明显的不足，由于云台结构使用单点进行连接，势必会对连接处的电机提出很高的要求。方案二：平台采用三点支撑，支撑点张成一个等边三角形。此方案相较前一方案将受力平均分配到三个支撑脚上，减小了对电机的负荷。这样能够在最短的运动行程内实现题目要求的±30°范围，效率最高。但在机械结构的设计和平衡算法的处理方面却显得有些麻烦。方案三：平台采用三点支撑，支撑点张成一个

5、等腰直角三角形。此方案相较前一方案，虽然这样在工作效率上不是最优，但是相较于最优的等边三角形，当等边三角形边长与直角三角形直角边等长时，支撑杆伸长相同距离导致的倾角变化仅减小约1.45%，同时在机械结构的设计和平衡算法的处理方面都得到极大的便利。从整体考虑，最终我们采用方案三。在动力装置方面，我们采用直线电动推杆，该装置可提供10-100kg的推力、100mm的行程和0.5-1.5cm/s的速度。如何将直线运动转化为平面角度的改变是机械设计的核心问题。基本思路是用滑轨和磁性球形关节实现，使一个支点支撑住平台，另外

6、两个支点可在以该点为交点的相互垂直的两轴上运动。这样大大方便了我们进行机械结构的设计和平衡算法的处理。图1机械示意图2.电机驱动模块方案一：采用L298驱动。虽然简便而且成本低廉，但由于它们的内阻较大，在控制大电流的马达时芯片常常过热，导致系统的整体效率较低。常用的H桥芯片L298N的额定输出电流（1A），当我用两个L298模块进行驱动测试时，发现电压明显拉低，电流不能达到驱动要求。因为系统使用的动力输出机构为两个直线电动推杆，额定电压12V，最大电流3.0A。故此方案不行。方案二：自行设计大电流、高耐压的H桥电

7、路。使用两片IR2104半桥驱动器和四片IRF540MOS管组成全桥，驱动一路直线电动推杆。IR2104通过自举电路来给NMOS提供驱动电压，使用起来最方便，驱动起来不用考虑太多问题。IRF540最大耐压为100伏，驱动电流28安培，完全满足直线电动推杆的负载要求。经测试，该H桥电路带负载能力和频率特性良好，符合设计要求。故采用方案二。3.角度检测模块方案一：采用SCA60C倾角传感器。SCA60C通过检测重力加速度在被测轴上的分量得到被测轴相对于水平面的倾角，可提供约22mv/度的模拟输出。此芯片只有模拟输出，

8、所以必须要用AD检测模块对其进行电压检测，而且输出角度的精度与其供电电压相关，如果外部供电电压不稳的话，势必会影响角度的检测精度。方案二：采用SCA100T高精度双轴倾角传感器检测。此倾角传感器此传感器为数字SPI输出模式，测量分辨力可达0.003度，具有灵敏度极高，抗冲击，抗震动等诸多优点。通过改变角度来改变其输出电压，具有良好的线性变化。如果采用SPI输出模式，其检测