摘要：介紹了一種基于MEMS加速度傳感器的自動(dòng)校準(zhǔn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案。從數(shù)學(xué)模型入手，推導(dǎo)了傾角測量算法并設(shè)計(jì)了調(diào)平控制方案。在電機(jī)控制環(huán)節(jié)加入改進(jìn)后的PID算法，解決了輸出突變導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降的問題?？炻龣n的設(shè)定使系統(tǒng)在縮短調(diào)平時(shí)間的同時(shí)兼顧精度的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可用于一般調(diào)平場合。
關(guān)鍵詞：MXC62025G；自動(dòng)調(diào)平；PID控制；抗干擾
引言
現(xiàn)代測控系統(tǒng)在正常工作時(shí)往往需要一個(gè)基準(zhǔn)平臺(tái)，在這樣的客觀需求下調(diào)平技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，如起重機(jī)支架、鉆井平臺(tái)、火炮底座、衛(wèi)星天線基座、導(dǎo)彈發(fā)射平臺(tái)等。傳統(tǒng)的手動(dòng)調(diào)平方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，嚴(yán)重影響了平臺(tái)上設(shè)備機(jī)動(dòng)性能的發(fā)揮。自動(dòng)校準(zhǔn)平臺(tái)的研制彌補(bǔ)了手動(dòng)方式的不足，并且在效率、精度、可靠性等方面都優(yōu)于手動(dòng)校準(zhǔn)平臺(tái)。本文介紹了一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控平臺(tái)狀況并通過步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)的自動(dòng)校準(zhǔn)平臺(tái)。
1 傾角測量原理
MXC62025G是美新(Memsic)公司推出的一款基于MEMS技術(shù)的雙軸加速度傳感器，集成了片上信號處理和I2C總線模塊，無需外接A／D轉(zhuǎn)換器便可以與微處理器通信。該傳感器可以同時(shí)測量恒定和變化的加速度，測量范圍為-2～+2 g，在25℃室溫、3 V工作電壓的條件下，其靈敏度可達(dá)512計(jì)數(shù)點(diǎn)／g。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，硅片中心有一個(gè)熱源，四周等間距地放置了4個(gè)熱電堆。當(dāng)硅片水平靜止時(shí)，熱源周圍的溫度梯度是均勻的，所以4個(gè)熱電堆的溫度相同，輸出電壓相同。當(dāng)硅片傾斜或在某一方向上有加速度時(shí)，熱源周圍的溫度梯度發(fā)生擾動(dòng)，因而輸出電壓發(fā)生變化。

由于傳感器的輸出不能為負(fù)，因而需要減去一個(gè)偏移量來區(qū)分正負(fù)，此處取輸出值的中值，即最大值與最小值之和的一半。另外，傳感器的輸出是加載在兩個(gè)測量軸上的重力加速度的分量，要輸出傾角值還需進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。假設(shè)X軸向的傾角為α，Y軸向的傾角為β，則輸出值與傾角大小存在以下關(guān)系：
即
當(dāng)傾角較小時(shí)，軸向加速度與傾角之間近似為線性關(guān)系，故有：，K值選取與傾角誤差之間的關(guān)系如表1所列。

不難看出，測量范圍與測量精度是一對矛盾。為了提高系統(tǒng)的精度，應(yīng)當(dāng)盡量減小平臺(tái)調(diào)節(jié)的幅度，所以自動(dòng)校準(zhǔn)平臺(tái)應(yīng)當(dāng)先大致擺放到水平位置再按啟動(dòng)開關(guān)。

2 平臺(tái)調(diào)平原理
目前工程上4支點(diǎn)或更多支點(diǎn)的調(diào)平系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，這主要是從穩(wěn)定性角度考慮的，但超過3根支腳后必然要面臨超定位的問題。由于虛腿的出現(xiàn)，平臺(tái)上的設(shè)備工作時(shí)不能保證每根支腳上的受力具有重復(fù)性，從而導(dǎo)致支架形變，影響調(diào)平精度。而在3點(diǎn)調(diào)平結(jié)構(gòu)中，各支腳受力均勻，只要支腳設(shè)計(jì)得當(dāng)就可以保證較高的穩(wěn)定性，調(diào)平控制模型如圖2所示。

圖中的3個(gè)頂點(diǎn)O、A、B分別代表3個(gè)支撐軸，為了使基座能夠適用于不同的環(huán)境，設(shè)定支腳O的高度為手動(dòng)可調(diào)。傳感器在安裝時(shí)需保證其X軸與OA邊平行，Y軸與OA上的高BH平行。當(dāng)固定了O點(diǎn)的高度后，調(diào)節(jié)A、B兩處，使平臺(tái)達(dá)到水平。為了便于實(shí)驗(yàn)，將模型進(jìn)一步理想化，使點(diǎn)H與O重合。平臺(tái)調(diào)平的實(shí)質(zhì)是將兩條相交的直線分別調(diào)到水平。
假設(shè)平臺(tái)為剛性結(jié)構(gòu)，加速度傳感器的精度為常數(shù)，且在X與Y兩個(gè)方向上的傾角分別為α和β，兩軸之間的夾角為θ，則整個(gè)平臺(tái)的水平度γ可表示為：
根據(jù)上面的公式，只有當(dāng)兩軸的夾角為90°時(shí)，系統(tǒng)在調(diào)平過程中才沒有耦合，水平度θ才有最小值。
若兩軸上的控制精度為±δ，則系統(tǒng)調(diào)平的水平誤差。由于選擇的是雙軸加速度傳感器，它的兩個(gè)測量軸相互垂直，即θ=90°，故水平調(diào)節(jié)誤差。即如果整個(gè)平臺(tái)的水平度要求為0．1°，則X軸、Y軸上的控制精度就是。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3．1 傳感器硬件連接
加速度傳感器以I2C總線標(biāo)準(zhǔn)輸出數(shù)據(jù)，