基于圆柱形模型的平台调平装置

摘要

一种基于圆柱形模型的平台调平装置，包括全方位倾斜传感器外壳、LED照明光源、透明圆锥体容器、不透光液体、摄像头、嵌入式系统、电源和指南针，平台、平台支撑脚位置伺服控制动作单元和平台支撑脚位置伺服控制驱动单元，透明圆锥体容器是由两个同样大小的圆锥体以背靠背的方式结合成一个封闭容器，容器中注入了容器体积的二分之一不透光液体；对摄像头以正面体拍摄透明圆锥体容器的透光部分进行分析、判断和计算，得到被测平台的倾斜角度和倾斜方位角等测量参数，通过测量参数根据不同的调平策略对非正规排列的多支撑脚平台进行水平自动调整；本发明可操作性好、测量精度高、稳定性好、适用性强、制造成本低、实时性和安全可靠性强。

主权项

1.一种基于圆柱形模型的平台调平装置，其特征在于：包括全方位倾斜传感器外壳、LED照明光源、透明圆锥体容器、不透光液体、摄像头、微处理器、电源、指南针、平台、平台支撑脚位置伺服控制动作单元和平台支撑脚位置伺服控制驱动单元，所述的电源与所述的照明光源和所述的微处理器连接，所述的微处理器与所述的摄像头连接，所述的透明圆锥体容器是由两个同样大小的圆锥体以背靠背的方式结合成一个封闭容器；所述的全方位倾斜传感器外壳中部固定着所述的透明圆锥体容器，上部固定着所述的LED照明光源，下部固定着所述的摄像头；所述的LED照明光源朝下正对着所述的透明圆锥体容器中心发出白色光，所述的摄像头朝上所述的透明圆锥体容器中心感应透过透明圆锥体容器后的透射光，所述的摄像头通过USB接口从所述的摄像头中读取图像数据，全方位倾斜传感器固定在所述的平台上，所述的平台由所述的平台支撑脚位置伺服控制动作单元支撑，所述的平台支撑脚位置伺服控制驱动单元控制所述的平台支撑脚位置伺服控制动作单元上下移动，所述的微处理器发出移动控制信号给所述的平台支撑脚位置伺服控制驱动单元；所述的全方位倾斜传感器外壳呈圆柱型，圆柱型的两个平面，其中一个平面内侧固定着LED光源，平面外侧固定着指南针；在另一个平面上固定着摄像头，且方向都向内；圆柱型的中部固定着透明圆锥体容器；全方位倾斜传感器外壳采用不透光的材料，圆柱型的内壁采用吸光性的材料；圆柱型的外壁上标有一条与圆柱型的轴线相平行的直线，将该直线作为方位角的始点；使用全方位倾斜传感器时需要转动全方位倾斜传感器将指南针的指北的方向与该直线重合；所述的不透光液体注入到所述的透明圆锥体容器中，在所述的透明圆锥体容器中的所述的不透光液体的状态将决定全方位水平检测的水平倾斜角和倾斜方位角；当全方位倾斜传感器处于水平状态时，所述的照明光源由于受到在所述的透明圆锥体容器中的所述的不透光液体遮光作用，所述的摄像头无法接收到从所述的照明光源发出的并经所述的透明圆锥体容器透射光；当全方位倾斜传感器处于倾斜状态时，所述的不透光液体在所述的透明圆锥体容器中发生流动维持水平状态，这时在所述的照明光源和所述的摄像头之间的所述的透明圆锥体容器有一部分区域处于非遮挡状态，所述的摄像头接收到从所述的照明光源发出的并经所述的透明圆锥体容器部分透射光；所述微处理器包括：平台水平控制单元，用于控制平台的水平度，主要包括平台支撑脚位置误差计算模块和平台支撑脚位置伺服控制模块；所述的平台支撑脚位置误差计算模块，用于计算要将平台对准以及调整到水平位置状态下平台各支撑点的移动距离，包括调平前的准备子模块和平台调平控制子模块；根据不同需求，采用圆柱体“最高点”调平算法、圆柱体“最低点”调平算法、圆柱体“中间点”调平算法和“基准点”调平算法；考虑到平台各支撑点并非规则排列，为了保证各支撑点在平台调平过程中能均匀受力且按照平台调平控制方法迅速完成调平任务；根据平台调平后的位置高度，用公式(6)计算各支撑点需要移动的距离位置，$z_x=\left\{\begin{array}{c}{R}_x\times \sin \theta \times [\cos \left(\frac{{\beta }_x}{R}\right)+1]+(z_c-z_o-\Delta )···\delta >1\\ R_x\times \sin \theta \times [\cos \left(\frac{{\beta }_x}{R}\right)+\delta ]···············\left|\delta \right|\le 1\\ R_x\times \sin \theta \times [\cos \left(\frac{{\beta }_x}{R}\right)-1]-(z_c-z_o+\Delta )···\delta <-1\end{array}\right.---\left(6\right)$$\delta =\frac{(z_c-z_o)}{R\times \sin {\theta }_0}$Δ＝2R×sinθ₀式中，z_x表示某一支撑点实现某种调平所需要移动的垂直距离，R_x表示某一支撑点与圆柱体模型中心轴的距离，θ表示平台的倾斜角，β_x表示某一支撑点的计算倾斜方位角，它是X轴与某一支撑点和圆柱体模型中心轴连线的夹角β_xc和测量倾斜方位角β_c的差，即β_x＝β_xc-β_c，β_x∈[0，2πR]逆时针方向，z_o表示平台调平前中间点在Z轴上的位置，z_c表示平台调平后中间点在Z轴上的位置，R表示圆柱体模型的半径，Δ表示在圆柱体模型中倾斜平台最高点与最低点投影在Z轴上的距离，θ₀表示平台在调平前的倾斜角，δ表示平台的调平范围比，|δ|≤1表示调平范围在圆柱体模型中倾斜平台最高点与最低点投影范围内，δ＜-1表示调平位置高于圆柱体模型中倾斜平台的最高点在Z轴上的投影点，δ＞1表示调平位置低于圆柱体模型中倾斜平台的最低点在Z轴上的投影点；公式(6)中平台的倾斜角θ和支撑点的计算倾斜方位角β_x的信息是从全方位倾斜传感器的检测结果中获得的；对公式(6)求导可以得到平台各支撑点的移动速度，用公式(7)表示，$\frac{{\partial z}_x}{\partial t}=R_x\times \cos \theta \times [\cos \left(\frac{{\beta }_x}{R}\right)+1]\frac{\partial \theta }{\partial t}+\frac{{\partial z}_c}{\partial t}···\delta >1$$\frac{{\mathrm{dz}}_x}{\mathrm{dt}}=R_x\times \cos \theta \times [\cos \left(\frac{{\beta }_x}{R}\right)+\delta ]\frac{\mathrm{d\theta }}{\mathrm{dt}}···············\left|\delta \right|\le 1---\left(7\right)$$\frac{{\partial z}_x}{\partial t}=R_x\times \cos \theta \times [\cos \left(\frac{{\beta }_x}{R}\right)-1]\frac{\partial \theta }{\partial t}-\frac{{\partial z}_c}{\partial t}···\delta <-1$从公式(6)和公式(7)得到如下3种对准调平方案：方案1)单一调平方案，当调平后的位置在圆柱体模型中倾斜平台的最高点和最低点之间，包括最高点和最低点，即满足|δ|≤1条件时，可以一步实现平台对准调平到位，每个支撑点的调平速度必须满足R_x×cosθ×[cos(β_x/R)+δ]dθ/dt，其中dθ/dt为调平速度，调平速度曲线为柔性运动控制曲线；当调平后的位置超出圆柱体模型中倾斜平台的最高点或者最低点时，即当δ＞1或者δ＜-1时，对准调平需要分调平和对准这两个不同过程完成，实现方案可以是先调平后对准也可以是先对准后调平；方案2)先调平后对准的方案，具体做法是，首先向着圆柱体模型中倾斜平台的最高点或者最低点方向完成调平，当δ＞1时，向圆柱体模型中倾斜平台的最高点进行调平，每个支撑点的调平速度必须满足其中为调平速度，调平速度曲线为柔性运动控制曲线；当δ＜-1时，向圆柱体模型中倾斜平台的最低点进行调平，每个支撑点的调平速度必须满足其中为调平速度，调平速度曲线为柔性运动控制曲线；接着当调平动作结束后，所有支撑点以相同的速度进行平移动作，其中为平移速度，平移速度曲线为柔性运动控制曲线，直到平台平面移动到所设定的高度；方案3)先对准后调平的方案，具体做法是，首先所有支撑点以相同的速度进行平移动作，其中为平移速度，平移速度曲线为柔性运动控制曲线，当δ＞1时每个支撑点向上移动(z_c-z_o-Δ)距离，当δ＜-1时每个支撑点向下移动(z_c-z_o+Δ)距离；当对准动作结束后，当δ＜-1时，向倾斜平台的最高点进行调平，每个支撑点的调平速度必须满足其中为调平速度，调平速度曲线为柔性运动控制曲线；当δ＞1时，向倾斜平台的最低点进行调平，每个支撑点的调平速度必须满足其中为调平速度，调平速度曲线为柔性运动控制曲线。