基于姿态传感器的检测平台设计
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收稿日期：2016-10-11作者简介：白万民（1959 -），男，陕西人，教授，硕士，研究方向为计算机应用技术。
基于姿态传感器的检测平台设计Design of the detection platform based on the attitude sensor白万民，赵传超，荆 波BAI Wan-min, ZHAO Chuan-chao, JING Bo（西安工业大学，西安 710021）摘 要：针对姿态传感器应用在自行火炮的高精度和高可靠性要求，利用AutoCAD软件和SolidWorks软件对平台组成结构和相关零件进行设计、建模与装配。
对整体进行完整的分析，证明检测平台机械结构设计的合理性。
利用AT89C52单片机为核心控制芯片，编码器为核心检测元件电路设计方案；运用AltiumDesigner10画图软件完成平台系统整体硬件电路原理图的设计，实现姿态传感器测量值与编码器输出信号的采集、转换和显示，实现对姿态传感器高精度检测。
关键词：检测平台；姿态传感器；编码器；单片机中图分类号：TH122；TN710 文献标识码：B 文章编号：1009-0134(2017)02-0134-040 引言本课题所涉及的检测对象是XGZT-III 型姿态传感器；XGZT-III 型姿态传感器是否处于正常的工作状态，对整个自行火炮是否能够实现精确打击有着举足轻重的意义。
目前自行火炮系统的姿态传感器的检测基本是用经纬仪测量的，由于经纬仪的测量精度不高、体积较大等劣势使其在作战中得不到广泛的应用，尤其是在部队行军过程中无法对对姿态传感器进行检测，所以设计一套专门测量XGZT-III 型姿态传感器的高精度检测平台是非常有必要的。
本文设计的XGZT-III 型姿态传感器检测平台具有检测精度高、体积小、长期稳定性好、安装携带方便以及能够适应复杂使用环境等的特点，对提高军队作战攻击能力具有十分重要的意义。
1 姿态传感器检测平台结构方案设计检测平台属于旋转型两轴平台，采用对称性好、整体刚度大、结构紧凑和体积小的O 型框架结构[1]；结构原理图如图1所示。
x 俯仰角Y 横滚角Z 稳定轴稳定平面图1 两自由度检测平台框架原理图1.1 姿态传感器检测平台系统机械结构整体设计平台底板设计为长方形结构，其外形尺寸为：400mm ×400mm ×10mm ；外框的外形尺寸为180mm ×160mm ×50mm ，厚度8mm 。
外框结构的一组对称两侧分别安装蜗轮蜗杆和编码器，另外两侧通过轴和轴承与平台底板的支撑板形成转动副；内框也设计为长方形盒体结构，其外形尺寸为136mm ×128mm ×65mm ，厚度10mm 。
内框的盒体内安放姿态传感器，在盒体上表面设计安放两个方向的水平仪。
由于姿态传感器检测平台的轴承主要受到径向载荷，承受少许的轴向载荷，因此平台系统采用深沟球轴承[2]，具体型号和尺寸如表1所示。
表1 检测平台轴承型号及尺寸类型轴承型号外形尺寸d ×D ×B 内框轴承6190010mm ×22mm ×6mm 外框轴承6190010mm ×22mm ×6mm 蜗杆轴承628/78mm ×16mm ×5mm本设计使用SolidWorks 三维建模软件建立装配好的检测平台三维结构模型如图2所示。
1.2 编码器选择根据检测平台的具体检测要求，平台的检测精度为0.005°，选择长春长辉光电科技的CHA50S 型号18位单圈绝对式编码器。
由绝对式编码器的原理可知，18位单圈绝对值编码器的分辨率是其精度的三分之一[3,4]，故其精度的大小经过具体计算后为（360/218）×3＝0.00412°＜0.005°，满足平台的检测要求。
1.3 蜗轮蜗杆传动设计计算1.3.1 内框蜗轮蜗杆转矩T内检测平台内框蜗轮蜗杆的转动惯量J内是由内框盒体本身绕Z轴旋转对内框蜗轮蜗杆轴转动惯量J内1和平台内框盒体安装的姿态传感器对内框蜗轮蜗杆轴转动惯量J内2两大部分构成的。
内框蜗轮蜗杆轴线与内框盒体几何中心保持垂直相交的关系[5,6]。
几何框体坐标系如图3所示。
x图3 几何框体坐标系内框盒体本身绕Z轴旋转对内框蜗轮蜗杆轴转动惯量J内。
图4所示长方体相对于Z轴转动惯量的计算公式如式(1)所示：(1)在实际的工作条件下，由于姿态传感器检测平台系统中的内框轴上安装的零件和联轴器对其转动所产生的转动惯量，故系数我们选择为2，计算得到内框蜗轮蜗杆的转动惯量J内为：因为本检测平台在检测姿态传感器时要求平台处于稳定状态，所以内框蜗轮蜗杆能提供的最大角速度和最大角加速度为内框架的相对载体的最大角速度和最大角加速度，所以有内框涡轮蜗杆转矩T内：1.3.2 外框蜗轮蜗杆转矩T外外框蜗轮蜗杆的转动惯量J外是由外框本身绕Z轴旋转对外框蜗轮蜗杆轴的转动惯量J外1、内框编码器跟随外框绕Z轴旋转对外框蜗轮蜗杆轴的转动惯量J外2、内框和负载质量绕Z轴旋转对外框蜗轮蜗杆轴的转动惯量J外3以及内框蜗轮蜗杆随外框绕Z轴旋转对外框蜗轮蜗杆轴的转动惯量J外4四大部分组成的。
在实际的工作条件下，由于姿态传感器检测平台系统中的外框轴上的安装座、零部件和联轴器所产生的转动惯量，故系数选择为2，则可以得到外框蜗轮蜗杆的转动惯量J外为：外框构件的最大角加速度为：β外＝2.09rad/s2，计算得：0.138T J N mβ=⋅≈⋅1.3.3 蜗轮蜗杆设计与验证蜗轮选用铸造锡青铜（ZCuSn10Pb1），金属模铸造；蜗杆选用渗碳钢（20Cr），渗碳后表面淬硬到56-62HRC；加工精度为8级。
参照机械设计手册表13-4-4，初选蜗杆头数Z1＝1，传动比i＝30，则有：2130z z i==粗算传动效率η：由前文已知，蜗轮蜗杆输入转矩T入需要满足T入≥T外＝0.138N·m，则有：参照机械设计手册表13-4-13，因为载荷平稳、蜗轮圆周速度v≤3m/s，故载荷系数K＝1.1。
当蜗轮材料是金属模铸造锡青铜（ZCuSn10Pb1），且蜗杆齿面硬度大于45HRC时，查机械设计手册表13-4-15得接触应力HPσ＝220N/mm2。
设计蜗轮蜗杆时要满足条件：蜗轮的断面模数m与蜗杆的轴向模数mX，即m＝mX。
有接触强度设计公式：图2 检测平台基本结构模型查机械设计手册表13-4-3，取接触强度为3.276，则模数m ＝1.25，所以蜗杆系数q ＝18。
接触强度校核公式：(2)式中，d 1表示蜗杆分度圆直径，单位为mm ；d 2表示蜗轮分度圆直径，单位为mm ；经计算d 1＝q m ＝22.5mm ，d 2＝mz 2＝37.5mm ，将其值代入式(2)中可得：22159.42/220/H Hp N mm N mmσσ=≤=2 姿态传感器检测平台系统硬件电路设计2.1 系统整体设计姿态传感器检测平台系统的整体硬件电路结构是以AT89C52单片机集成电路芯片为控制核心的；单圈绝对式编码器和姿态传感器通过数据采集电路与AT89C52进行数据传递，看门狗电路能够保证AT89C52程序可以正常运行，人机交互界面能够在液晶显示屏上显示角度值，数字量输出电路连接扩展了PC 上位机应用。
姿态传感器检测平台系统硬件电路整体结构框图如图4所示。
图4 系统硬件电路整体结构框图2.2 中央处理器（MCU ）中央处理器是姿态传感器检测平台系统硬件电路的核心控制芯片。
爱特梅尔公司89系列的AT89C52单片机是一种高性能、低电压的8位CMOS 单片机，芯片片内包含8k 大小的可反复擦写的Flash 只读程序存储器以及256字节大小的随机存取数据存储器，这样方便装载与修改系统程序，采用此种单片机作为MCU [11]。
2.3 数据采集模块数据采集模块包含了单圈绝对式编码器输出信号数据采集和姿态传感器输出信号数据采集两大模块。
选用美信公司生产的MAX491芯片将编码器信号采集并转化为单片机可识别信号。
为了减少电路前后的干扰，在设计电路时添加了2个TLP521光耦。
绝对式编码器读数所需同步时钟信号由AT89C52单片机的P1.4口来模拟，绝对式编码器输出数据信号的接收选用单片机的P1.5口。
由姿态传感器的技术参数可知，其输出信号采用了符合RS-232协议的电平，不能直接被单片机识别。
因此选择MAX202芯片采集姿态传感器输出信号并转化为单片机可以识别的数据。
为了减少电路前后的干扰，在MAX202芯片的外围接了5个0.1uF 电容和2个TLP521光耦。
2.4 看门狗电路看门狗电路采用美国Xicor 公司生产的X25045芯片，该芯片将EEPROM 、定时器和电压监控集中到芯片内，大大减少设计系统硬件电路的工作量，同时也提高了系统可靠性。
2.5 人机交互界面电路人机交互界面包括4键独立式键盘和LCD12864液晶显示两大部分。
LCD12864液晶控制简单、具有良好的直观性。
LCD12864具有并行8位、并行4位、串行3线以及串行2线的四种工作模式，由于AT89C52单片机的I/O 口数量充足，所以LCD12864液晶显示使用并行8位的工作模式。
AT89C52单片机的P0.0～P0.7数据口与LCD12864的D0～D7连接；LCD12864复位端与AT89C52复位端相连；AT89C52的P3.4、P3.5、P3.6口分别与液晶显示的E 、R/W 、RS 端相连，分别控制液晶显示的使能、读写和寄存器；AT89C52的P3.7口接液晶显示的PSB 端；AT89C52的P2.3～P2.6口接4键独立式键盘用于实现系统的参数设定及功能切换。
2.6 数字量输出电路在AT89C52单片机与上位机的信息交互中，由于PC 上位机通常只有RS-232接口，所以数字量输出电路需要选用MAX232芯片将AT89C52的输出信号转换传送给PC 上位机识别的RS-232信号。
综上所述，将AT89C52主控制单片机芯片与数据采集电路、看门狗电路、人机互换界面电路和数字量输出电路设计在同一个电路板上，其他管脚均采用双排针引出，方便系统的扩展。
利用AltiumDesigner10画图软件设计出XGZT-III 型姿态传感器检测平台系统硬件整体电路原理图如图5所示。
3 结论按照此设计，结合软件编程，完成姿态传感器检测平台的设计，解决了通用仪器（经纬仪）测量精度不高的问题，突破了专用仪器用于姿态传感器的高精度检测。
同时，可以有效解决姿态传感器在生产中的检测调试和使用过程中的周期性检测，提高了姿态传感器的可靠性；另一方面，高精度检测平台应用在部队行军战场上，方便部队使用，解决了部队在战斗过程中不能自检的问题，可以有效提高战斗力、减小伤亡，并且可以延长姿态传感器的使用寿命。
