基于两轴角传感器的机动测控装备自动调平系统

0 引言
    现代靶场拥有大量机动测控装备，每次转场后都需要对装备平台进行调平。传统的调平系统采用手动调平结构，费时费力，已严重影响装备机动性能的发挥和任务的完成效率。自动调平系统相对人工调平系统具有调平时间短、调平精度高、可靠性高等优点。本设计以XWQj02-001型号的倾角传感器内置的2个微机械加速度计测量x轴和y轴相对于水平面的夹角，使用Visual C++6．O开发Windows环境下的串行口通信程序来实现微机与倾角传感器的通信，实现机动测控装备平台的高速、高精度调平。

1 XWQJ02-001简介
1．1 产品特点
    XWQJ02-001是两轴可编程加速度计方式倾角传感器，基于ADI(analog devices，Inc)公司iMEMS集成微电子机械系统内核，当其处于水平安装时，测量范围是-30°～+30°，测角越是接近水平面其精度越高，可在1～5Hz／s编程设置其输出频率，输出频率越小其测量精度越高，经实际测量得知在-50°～+5°的测量范围内以1 Hz／s频率输出得到小于O．003°的测量精度，输出最高分辨率为O．001°。产品具有5阶滤波器，用户根据需要设置，平衡选择倾角精度和倾角响应速度的关系。
    倾角大小以数字量方式输出，接口形式包括RS 232，RS 485，RS 422等多种方式。
    封装外壳的防水等级IP55，抗外界电磁干扰能力强，承受冲击振动能力强。
1．2 工作原理
    传感器的内部核心为ADI公司的微加速度计ADXL213，其内部原理如图1所示。

    该传感器采用iMEMS技术，在一个硅片上包含了一个多晶体硅表面为机械传感器和信号处理电路，实现了开环加速度测量结构。可以测量动态加速度和静态加速度，其量程范围为±1．2 g，输出为周期可调的占空比调制信号，无需经过A／D转换直接与计数器或单片机连接。具有良好的温度特性，无需外部的温度补偿电路，具有测量精度高、功耗低、价格低等特点，适用于较高精度的测量系统。
    ADXL213输出的时周期可调的与加速度成比例的脉宽调制信号。用户通过外加电容Cx、Cy定低通滤波器的带宽，可以提高测量分辨率、抑制噪声。
    传感器单元是差动电容器，其输出与加速度成正比。加速度计的性能依赖于传感器的结构设计。差动电容由悬臂梁构成，悬臂梁由电容电极副构成如图1中所示。每个指状电极的电容正比例于固定电极和移动电极之间的重叠面积以及移动电极的位移，在不同的倾斜面上得到的差动电容的大小是不一样的。悬臂梁由多晶硅弹簧支撑，根据放置在倾斜面上得到的差动电容的大小按照一定的运算规则得到加速度传感器x轴、y轴的输出Ax、Ay加速度信号(在标定的时候需要进行非线性补偿和温度补偿)。则按照下面公式即可计算出倾角大小：
   

式中：θ，γ分别为x，y轴相对于水平面的倾角；g为重力加速度。
1．3 产品应用
    该产品用于测量多种需要测量倾斜变化的工业应用设备，民用领域如：工厂机床、运动完全监视器、汽车轮位对准装置、桥梁倾斜监测、大坝边形长期检测、平台水平度监测。军用领域如：卫星天线稳定系统、火炮炮管初射角度测量、雷达车辆平台检测等。

2 传感器数据采集软件
2．1 传感器数据输出格式
    XWQJ02-001数据输出为串口信号，串口输出协议为：波特率为9 600 b／s，没有校验位、8个数据位，1个停止位，即(9 600，N，8，1)。一组数据为15个字节数，并且输出为16进制数，具体如表1所示。

    表中x，y轴角度的字节中，最高比特位为O表示正数，最高比特位为1，表示负数。
2．2 软件编写
    使用微软公司的Visual C++6．O编写串口通信程序，调用软件本身提供的通用串口控件MSCOMM32．OCX编写程序，串口命名为m-Com。
    软件的初始化程序如下：
   

    当串口接收缓冲区接收到一组15个字节的数据后就自动产生一个OnComm事件，然后执行数据处理程序，数据格式转换关键步骤的程序如下所示：
   

    这样就转化为可以按照一般的数学计算法则处理的数据类型。
    具体如何处理数据与传感器使用的具体情况有关系，如在大型设备的平台调平系统中，应该将倾角值转化为各个支撑平台支腿的伸长量。

3 双轴倾角传感器在平台调平系统中的应用
    在机动测控装备工作时需要一个基准平台，要求平台尽量水平。根据三点确定一个平面的基本原则，设计了3个机械支腿作为载车支撑，通过调节3个支腿的伸长量使基准平台达到水平。倾角传感器的安装方式与3个支腿之间的位置关系如图2所示。

    图2中A，B，C代表载车平台3个支撑支腿，x，y轴代表倾角传感器相互垂直的两个轴。安装时注意倾角传感器的两个垂直的x，y轴分别与AB、CD平行。使用Visual C++6．0编写的调平软件的人机界面如图3所示。

    该软件主要编写的程序有：
    (1)接收倾角传感器的角度信号，在界面显示角度大小；
    (2)然后根据角度信号判断出3个支点的高点及另外2个支点与高点的差距并将差距换算为脉冲个数发送给驱动板驱动支腿运行；
    (3)发送支腿预支撑、支腿撤收命令给支腿驱动板。

4 实验结果及分析
    将该支撑调平系统应用于某型号大型机动测控设备上，设备总质量为20 t，在室内水泥地基，无外界干扰情况下获得的调平精度为x轴小于等于20"，y轴小于等于20"。并且放置在水泥地面上静止10 h，倾角显示无明显变化。此试验表明载车的调平精度较高，调平时间短，并且可以长时间保持稳定性。在室外微风情况下在柏油路面上实验，打开光电设备自备的柴油发电机观测倾角读数的变化在20"左右，其动载荷稳定性满足使用要求。支腿的总伸长量为O．20 m，所以每个支腿配备一个0．50 m的垫块，支腿回收后距离地面为0．55 m。调整步进电机的驱动频率，实验测试表明，最佳的启动频率为3 200 Hz，启动后能达到最大的脉冲频率为5 000 Hz。经过多次测试顶升加调平整个过程在120 s左右。
    最后的试验结果表明：使用该型号的双轴倾角传感器较以前使用的单轴倾角传感器不论是在调平时间上还是在调平精度上都有很大的提高，如果使用实时监测实时调整的策略还能够消除载车的低频振动，大大提高了机动测控设备的机动性能。

5 结语
    经试验验证，本型号的倾角传感器在使用时可靠性高、反应灵敏、抗干扰性能好。并且本文介绍XWQJ02-001此型号传感器的开发方式是比较简单实用，能够很好地解决靶场机动测控装备的调平问题，有利于装备机动性能的发挥，提高任务完成效率，具有较大的实用价值和推广意义。