專利名稱：基于圓柱形模型的平臺調(diào)平裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種平臺水平自動調(diào)整方法，屬于物理學、數(shù)字圖像處理技術(shù)、LED技術(shù)、嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、水平面可視化技術(shù)、計算機控制技術(shù)和機械設(shè)計技術(shù)在各種平臺的水平控制方面的應(yīng)用，主要適用于地球物理測量、地殼運動監(jiān)控、油井/氣井監(jiān)測、大壩監(jiān)控、重型攤鋪機械、船身調(diào)整、偏差控制、連鑄技術(shù)、武器平臺調(diào)整等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代工業(yè)特別是軍工行業(yè)的發(fā)展，需要調(diào)平的平臺對象越來越多，范圍也越來越廣，對調(diào)平的可靠性、快速性和精確性要求越來越高。
一般來說，水平自動調(diào)整平臺主要由以下三個組成部分構(gòu)成1)檢測平臺的水平度的全方位傾角傳感器；2)用于控制平臺水平度的控制硬件和軟件系統(tǒng)；3)用于快速準確執(zhí)行調(diào)平動作的伺服系統(tǒng)；因此任何一種性能優(yōu)良的平臺自動調(diào)平系統(tǒng)必須具備以下幾個功能指標1)精確性系統(tǒng)的精確性程度主要取決于傾角傳感器的分辨率；2)穩(wěn)定性為了適應(yīng)現(xiàn)代武器裝備高機動性和快速反應(yīng)能力的需求，要求平臺有更高的穩(wěn)定性；3)快速性傾角傳感器的響應(yīng)速度顯著提高和先進的調(diào)平控制算法；4)可操作性在自動調(diào)平系統(tǒng)中設(shè)計有人機交互顯示面板，通過其圖形界面顯示系統(tǒng)的狀態(tài)及各種實時參數(shù)，并根據(jù)工作需要對系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)置。面板設(shè)置有多個功能鍵，可根據(jù)需要自由定義，實現(xiàn)了調(diào)平系統(tǒng)的各種操作，同時設(shè)置有手動/自動操作的切換開關(guān)，可以在自動調(diào)平系統(tǒng)出現(xiàn)故障或其他特殊情況下，由人工來完成調(diào)平工作。
在水平傾斜檢測方面，目前測量兩個方向上的水平傾角最常用的手段是采用雙軸傾角傳感器，其工作原理是利用加速度傳感器傾斜后的角度與重力加速度成函數(shù)關(guān)系的原理來測量傾角的。加速度傳感器是建造在硅晶片頂部的表面MEMS多硅結(jié)構(gòu)。多晶硅簧片懸浮在晶片表面的結(jié)構(gòu)，并提供一個克服加速度感應(yīng)力的阻力。用包含兩個獨立的固定板和一個與運動質(zhì)塊相連的中央板形成的差動電容器機構(gòu)來測量比例于加速度的多硅結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生電壓輸出信號。這種檢測水平傾角的方式雖然有很多優(yōu)點，但是也存在著以下幾個方面的問題1)輸出不直觀，不能直接輸出傾斜的方位角和傾斜角等重要測量數(shù)據(jù)；2)制造工藝復雜，成本高；3)輸出的信息只能為偏離雙軸的角度信息，要進行平臺的水平動態(tài)調(diào)整受到限制；4)屬于間接測量，同時檢測過程中環(huán)節(jié)多，相對容易產(chǎn)生檢測誤差和故障；5)只能通過計算得到相對傾斜方位角，難以得到絕對傾斜方位角。
在平臺的動作支撐方面，目前對于要求能夠升降運動并能夠進行水平調(diào)節(jié)的系統(tǒng)多采用三點支撐、四點支撐和六點支撐，結(jié)構(gòu)特點大多采用支桿與平臺垂直的形式。三點支撐的好處是可以保證外力的作用中心靠近支撐桿的支撐中心，支撐相對穩(wěn)定。而對于承載體大身重的物體的平臺，為了提高平臺的剛度需要采取四點支撐或六點支撐，對于四點支撐會出現(xiàn)一定超靜定問題，而對于六點支撐則靜不定次數(shù)相應(yīng)提高了三次。對于承載更大載荷的平臺跨度較大，在工程中多采用六點支撐方式，平臺調(diào)平問題也較為復雜。對于平臺調(diào)平問題一般必須借助于水平傳感器檢測傾斜角和傾斜方位角。
在平臺調(diào)平的控制策略方面，目前四點支撐的平臺調(diào)平問題在工程實際中有多種方法。一種方法是將四條調(diào)平支腿解耦為兩個方向，在兩個方向上分別布置水平儀，檢測水平度，通過兩個方向的調(diào)平實現(xiàn)平臺調(diào)平。即在一個方向調(diào)平平臺，然后鎖定次方向的水平度，再調(diào)平另外一個方向，這是一種基于三點調(diào)平的調(diào)平方法；另外一種方法是通過建立平臺調(diào)節(jié)控制的數(shù)學模型，同時調(diào)節(jié)四條支腿，實現(xiàn)對平臺的水平調(diào)整。一般來說，同時調(diào)節(jié)四條支腿的方式具有較好的動態(tài)響應(yīng)能力。
在平臺調(diào)平的動作驅(qū)動方式方面，隨著計算機技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，目前應(yīng)用微機控制已經(jīng)非常普遍，一般使用單片機或PLC作為控制中心，以液壓元件或機電元件作為執(zhí)行機構(gòu)，四點、六點支承的電液調(diào)平系統(tǒng)，比如用在導彈發(fā)射車平臺的調(diào)平系統(tǒng)和車載雷達的調(diào)平系統(tǒng)，都是用微機(單片機或PLC)來控制整個電液系統(tǒng)；而靜力壓樁機一般都是四點支承，其工作平臺重達上百噸，調(diào)平系統(tǒng)采用電液伺服控制、機電伺服控制或電液比例控制。近年來，高科技激光武器的出現(xiàn)，要求車載平臺有更高的調(diào)平精度和穩(wěn)定性，采用電液伺服系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)精度的要求，隨之出現(xiàn)了用機電伺服系統(tǒng)來代替電液系統(tǒng)。特別是計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)和永磁同步交流伺服電動機傳動技術(shù)的發(fā)展，使高精度、高穩(wěn)定性的調(diào)平系統(tǒng)得以實現(xiàn)，目前位置伺服控制的精度已經(jīng)能達到毫米級甚至更高級。
任何系統(tǒng)的調(diào)平可以簡化為對某一平臺平面的調(diào)平。根據(jù)“三點或兩條相交直線確定一個平面”，平臺調(diào)平的實質(zhì)是將平臺上兩條相交直線調(diào)成水平。而根據(jù)理論分析，平臺上的兩條直線只有相互垂直時，它們在各自的調(diào)平中才沒有耦合。為此，在平臺的X、Y兩相互垂直的方向上各有一個傾角傳感器(實際上是用一個兩軸傾角傳感器)來測量兩個方向上的水平傾角。無論何種調(diào)平方法，都是通過傾角傳感器采集的信號，以各自的調(diào)平方法計算控制量，再通過伺服系統(tǒng)來驅(qū)動支腿的上升或下降來達到調(diào)平的目的。
目前在平臺調(diào)平方面仍然存在著缺乏各支撐腳的精確控制數(shù)學模型，尤其對于非正規(guī)排列的多支撐腳平臺調(diào)平情況下，使得三支撐腳以上的平臺調(diào)平上存在著“虛腳”現(xiàn)象；所謂的“虛腳”現(xiàn)象最根本的原因是各支撐點不在一個平面上，目前很多技術(shù)嘗試通過檢測各支撐點的受力情況來檢測是否有“虛腳”現(xiàn)象，比如通過力傳感器或者壓力傳感器檢測支撐點的受力情況；對于三支撐腳以上的平臺，如四支撐腳、六支撐腳、八支撐腳或者任意多支撐腳，希望用一種平臺調(diào)平方法能準確的計算出平臺調(diào)平前后各支撐腳各自的位移偏差并在平臺調(diào)平過程中各支撐腳各自的移動速度，使得平臺調(diào)平過程中各支撐腳能均勻受力并按平臺調(diào)平控制方法迅速完成調(diào)平任務(wù)。


發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有的自動調(diào)平系統(tǒng)制造成本高、機構(gòu)比較復雜、可視性和可維護性差、使用環(huán)境要求高、測量參數(shù)單一等的不足，本發(fā)明提供一種可操作性好、測量精度高、穩(wěn)定性好、適用性強、制造成本低、實時性和安全可靠性強的基于圓柱形模型的平臺調(diào)平裝置。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種基于圓柱形模型的平臺調(diào)平裝置，包括全方位傾斜傳感器外殼、LED照明光源、透明圓錐體容器、不透光液體、攝像頭、微處理器、電源、指南針、平臺、平臺支撐腳位置伺服控制動作單元和平臺支撐腳位置伺服控制驅(qū)動單元，所述的電源與所述的照明光源和所述的微處理器連接，所述的微處理器與所述的攝像頭連接，所述的透明圓錐體容器是由兩個同樣大小的圓錐體以背靠背的方式結(jié)合成一個封閉容器；所述的全方位傾斜傳感器外殼中部固定著所述的透明圓錐體容器，上部固定著所述的LED照明光源，下部固定著所述的攝像頭；所述的LED照明光源朝下正對著所述的透明圓錐體容器中心發(fā)出白色光，所述的攝像頭朝上所述的透明圓錐體容器中心感應(yīng)透過透明圓錐體容器后的透射光，所述的攝像頭通過USB接口從所述的攝像頭中讀取圖像數(shù)據(jù)，全方位傾斜傳感器固定在所述的平臺上，所述的平臺由所述的平臺支撐腳位置伺服控制動作單元支撐，所述的平臺支撐腳位置伺服控制驅(qū)動單元控制所述的平臺支撐腳位置伺服控制動作單元上下移動，所述的微處理器發(fā)出移動控制信號給所述的平臺支撐腳位置伺服控制驅(qū)動單元； 所述的全方位傾斜傳感器外殼呈圓柱型，圓柱型的兩個平面，其中一個平面內(nèi)側(cè)固定著LED光源，平面外側(cè)固定著指南針；在另一個平面上固定著攝像頭，且方向都向內(nèi)；圓柱型的中部固定著透明圓錐體容器；全方位傾斜傳感器外殼采用不透光的材料，圓柱型的內(nèi)壁采用吸光性的材料；圓柱型的外壁上標有一條與圓柱型的軸線相平行的直線，將該直線作為方位角的始點；使用全方位傾斜傳感器時需要轉(zhuǎn)動全方位傾斜傳感器將指南針的指北的方向與該直線重合； 所述的不透光液體注入到所述的透明圓錐體容器中，在所述的透明圓錐體容器中的所述的不透光液體的狀態(tài)將決定全方位水平檢測的水平傾斜角和傾斜方位角；當全方位傾斜傳感器處于水平狀態(tài)時，所述的照明光源由于受到在所述的透明圓錐體容器中的所述的不透光液體遮光作用，所述的攝像頭無法接收到從所述的照明光源發(fā)出的并經(jīng)所述的透明圓錐體容器透射光；當全方位傾斜傳感器處于傾斜狀態(tài)時，所述的不透光液體在所述的透明圓錐體容器中發(fā)生流動維持水平狀態(tài)，這時在所述的照明光源和所述的攝像頭之間的所述的透明圓錐體容器有一部分區(qū)域處于非遮擋狀態(tài)，所述的攝像頭接收到從所述的照明光源發(fā)出的并經(jīng)所述的透明圓錐體容器部分透射光； 所述微處理器包括平臺水平控制單元，用于控制平臺的水平度，主要包括平臺支撐腳位置誤差計算模塊和平臺支撐腳位置伺服控制模塊； 所述的平臺支撐腳位置誤差計算模塊，用于計算要將平臺對準以及調(diào)整到水平位置狀態(tài)下平臺各支撐點的移動距離，包括調(diào)平前的準備子模塊和平臺調(diào)平控制子模塊；根據(jù)不同需求，采用圓柱體“最高點”調(diào)平算法、圓柱體“最低點”調(diào)平算法、圓柱體“中間點”調(diào)平算法和“基準點”調(diào)平算法； 考慮到平臺各支撐點并非規(guī)則排列，為了保證各支撐點在平臺調(diào)平過程中能均勻受力且按照平臺調(diào)平控制方法迅速完成調(diào)平任務(wù)；根據(jù)平臺調(diào)平后的位置高度，用公式(6)計算各支撐點需要移動的距離位置， δ＝(zc-zo)/R×sinθ0 Δ＝2R×sinθ0 式中，zx表示某一支撐點實現(xiàn)某種調(diào)平所需要移動的垂直距離，Rx表示某一支撐點與圓柱體模型中心軸的距離，θ表示平臺的傾斜角，βx表示某一支撐點的計算傾斜方位角，它是X軸與某一支撐點和圓柱體模型中心軸連線的夾角βxc和測量傾斜方位角βc的差，即βx＝βxc-βc，βx∈
逆時針方向，zo表示平臺調(diào)平前中間點在Z軸上的位置，zc表示平臺調(diào)平后中間點在Z軸上的位置，R表示圓柱體模型的半徑，Δ表示在圓柱體模型中傾斜平臺最高點與最低點投影在Z軸上的距離，θ0表示平臺在調(diào)平前的傾斜角，δ表示平臺的調(diào)平范圍比，|δ|≤1表示調(diào)平范圍在圓柱體模型中傾斜平臺最高點與最低點投影范圍內(nèi)，δ＜-1表示調(diào)平位置高于圓柱體模型中傾斜平臺的最高點在Z軸上的投影點，δ＞1表示調(diào)平位置低于圓柱體模型中傾斜平臺的最低點在Z軸上的投影點；公式(6)中平臺的傾斜角θ和支撐點的計算傾斜方位角βx的信息是從全方位傾斜傳感器的檢測結(jié)果中獲得的； 對公式(6)求導可以得到平臺各支撐點的移動速度，用公式(7)表示， dzx/dt＝Rx×cosθ×[cos(βx/R)+δ]dθ/dt……………|δ|≤1 (7) 從公式(6)和公式(7)得到如下3種對準調(diào)平方案方案1)單一調(diào)平方案，當調(diào)平后的位置在圓柱體模型中傾斜平臺的最高點和最低點之間，包括最高點和最低點，即滿足|δ|≤1條件時，可以一步實現(xiàn)平臺對準調(diào)平到位，每個支撐點的調(diào)平速度必須滿足Rx×cosθ×[cos(βx/R)+δ]dθ/dt，其中dθ/dt為調(diào)平速度，調(diào)平速度曲線為柔性運動控制曲線；當調(diào)平后的位置超出圓柱體模型中傾斜平臺的最高點或者最低點時，即當δ＞1或者δ＜-1時，對準調(diào)平需要分調(diào)平和對準這兩個不同過程完成，實現(xiàn)方案可以是先調(diào)平后對準也可以是先對準后調(diào)平；方案2)先調(diào)平后對準的方案，具體做法是，首先向著圓柱體模型中傾斜平臺的最高點或者最低點方向完成調(diào)平，當δ＞1時，向圓柱體模型中傾斜平臺的最高點進行調(diào)平，每個支撐點的調(diào)平速度必須滿足

其中

為調(diào)平速度，調(diào)平速度曲線為柔性運動控制曲線；當δ＜-1時，向圓柱體模型中傾斜平臺的最低點進行調(diào)平，每個支撐點的調(diào)平速度必須滿足

其中

為調(diào)平速度，調(diào)平速度曲線為柔性運動控制曲線；接著當調(diào)平動作結(jié)束后，所有支撐點以相同的速度

進行平移動作，其中

為平移速度，平移速度曲線為柔性運動控制曲線，直到平臺平面移動到所設(shè)定的高度；方案3)先對準后調(diào)平的方案，具體做法是，首先所有支撐點以相同的速度

進行平移動作，其中

為平移速度，平移速度曲線為柔性運動控制曲線，當δ＞1時每個支撐點向上移動(zc-zo-Δ)距離，當δ＜-1時每個支撐點向下移動(zc-zo+Δ)距離；當對準動作結(jié)束后，當δ＜-1時，向傾斜平臺的最高點進行調(diào)平，每個支撐點的調(diào)平速度必須滿足

其中

為調(diào)平速度，調(diào)平速度曲線為柔性運動控制曲線；當δ＞1時，向傾斜平臺的最低點進行調(diào)平，每個支撐點的調(diào)平速度必須滿足

其中

為調(diào)平速度，調(diào)平速度曲線為柔性運動控制曲線。
作為優(yōu)選的一種方案所述的不透光液體，根據(jù)動態(tài)檢測需求選擇不透光液體的粘度，對于在垂直方向存在作用力的情況，采用粘度系數(shù)高的不透光液體；對于高動態(tài)檢測水平狀態(tài)情況，采用粘度系數(shù)低的不透光液體；對不透光液體，選擇能很好吸收光的、沒有腐蝕性、對溫度不敏感、滿足粘度范圍的液體能作為不透光液體。
進一步，所述的微處理器還包括； 圖像獲取單元，用于讀取從攝像頭來的視頻數(shù)據(jù)，主要包括系統(tǒng)初始化模塊和圖像讀取模塊； 系統(tǒng)初始化模塊，用于讀取存儲在所述的系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲單元中的一些系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如透明圓錐體容器的半徑R、透明圓錐體容器的圓錐角α、初始方位角β0、攝像頭的分辨率、傾斜角θ與透光部分的寬度值δ的計算表等數(shù)據(jù)；初始方位角β0的確定是根據(jù)圓柱型的外壁上的直線與所獲得的視頻圖像的X軸方向之間的夾角； 圖像讀取模塊，用于讀取從攝像頭來的視頻數(shù)據(jù)，并將其保存在動態(tài)存儲單元內(nèi)； 傾斜角與傾斜方位角檢測單元，用于檢測和計算被測物體的傾斜角θ與傾斜方位角β，主要包括傾斜方位角β檢測模塊、傾斜角θ檢測模塊和傾斜角θ和傾斜方位角β變化率計算模塊； 傾斜方位角β檢測模塊，用于檢測被測物體的傾斜方位；本發(fā)明中傾斜方位角的定義是從正北方向開始以順時針方向用β角度值進行表示，在圖像平面上的檢測傾斜方位角是從X軸開始以順時針方向用βc角度值進行表示，如圖3所示；因此在傾斜方位角β與檢測傾斜方位角βc之間存在著以下關(guān)系，如式(1)所示， β＝βc+β0 (1) 式中β為傾斜方位角，βc為檢測傾斜方位角，β0為初始方位角； 初始方位角β0在全方位傾斜傳感器出廠檢測時根據(jù)圓柱型的外壁上的直線與所獲得的視頻圖像的X軸方向之間的夾角來確定，并寫入到系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲單元中； 檢測傾斜方位角βc是依據(jù)所獲得圖像中的透射光部分的幾何形狀來計算確定的，檢測傾斜方位角是從X軸開始以順時針方向用βc角度值進行表示；在被測物體發(fā)生傾斜狀態(tài)時在透明圓錐體容器中的不透光液體在圖像平面上的形狀為半個園與半個橢圓的組合，橢圓的長軸等于園的半徑，傾斜角與橢圓的短軸成函數(shù)關(guān)系，成像平面上的橢圓的短軸數(shù)據(jù)越小表明傾斜角度越大，而傾斜方位角則發(fā)生在橢圓短軸的正方向；這時在成像平面上將會出現(xiàn)月牙型的感光區(qū)域，橢圓短軸的角度位置必定會出現(xiàn)月牙型的中部，從成像圖像上計算橢圓短軸的角度位置的計算方法如公式(2)所示，即從X軸開始以順時針方向進行檢索，具體算法如下 步驟1從X軸方向上引一條直線以圖像的圓心為中心為直線順時針旋轉(zhuǎn)方向檢索，如果在X軸方向上沒有光亮像素的話，就從X軸開始以圖像的圓心為中心為直線順時針旋轉(zhuǎn)方向檢索，反之跳轉(zhuǎn)到步驟3，如果旋轉(zhuǎn)直線遇到的圓形外圈的像素是光亮像素，就確定為該旋轉(zhuǎn)直線與X軸方向的夾角為β1； 步驟2接著用旋轉(zhuǎn)直線繼續(xù)以圖像的圓心為中心為直線順時針旋轉(zhuǎn)方向檢索，如果旋轉(zhuǎn)直線遇到的圓形外圈的像素是非光亮像素，前一個光亮像素的旋轉(zhuǎn)直線與X軸方向的夾角為β2；然后跳轉(zhuǎn)到步驟5， 步驟3接著用旋轉(zhuǎn)直線繼續(xù)以圖像的圓心為中心為直線順時針旋轉(zhuǎn)方向檢索，如果旋轉(zhuǎn)直線遇到的圓形外圈的像素是非光亮像素，前一個光亮像素的旋轉(zhuǎn)直線與X軸方向的夾角為β2； 步驟4接著用旋轉(zhuǎn)直線繼續(xù)以圖像的圓心為中心為直線逆時針旋轉(zhuǎn)方向檢索，如果旋轉(zhuǎn)直線遇到的圓形外圈的像素是非光亮像素，前一個光亮像素的旋轉(zhuǎn)直線與X軸方向的夾角為β1； 步驟5通過公式(2)計算橢圓短軸的角度βc， βc＝(β1+β2)/2(2) 而檢測傾斜方位角βc必定出現(xiàn)在橢圓短軸的方向； 傾斜角θ檢測模塊，用于檢測被測物體的傾斜角；如圖2和圖5所示，傾斜角θ可以通過公式(3)計算得到， θ＝ctg-1[(R/δ-1)×ctg(α)](3) 上式中，R為透明圓錐體容器的半徑，α為透明圓錐體容器的圓錐角，δ為透光的月牙型的中部的寬度值，θ為傾斜角； 所述的傾斜角θ檢測模塊，用于檢測被測物體的傾斜角；傾斜角θ可以通過公式(4)計算得到 θ＝ctg-1[(R/δ-1)×ctg(α)](4) 上式中，R為透明圓錐體容器的半徑，α為透明圓錐體容器的圓錐角，δ為透光的月牙型的中部的寬度值，θ為傾斜角； 這里，透明圓錐體容器的半徑R和透明圓錐體容器的圓錐角α從存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲單元中的系統(tǒng)數(shù)據(jù)中得到的，透光的月牙型的中部的寬度值δ是通過對圖像的分析算法得到的，即通過成像圖形中心點為放射線進行順時針掃描，獲得在軸心線方向上的最大透光值，具體算法如下 根據(jù)公式(2)所得到的橢圓短軸的角度βc和圖像的圓心為中心為直線穿越透光的月牙型，計算其透光的像素值；如果攝像頭的分辨率為640×480、透明圓錐體容器的半徑R為200mm、每個像素代表0.83mm，如果計算得到的透光像素值為5個像素，那么透光的月牙型的中部的寬度值δ為4.15mm； 傾斜角θ的分辨率與透明圓錐體容器的半徑R和透明圓錐體容器的圓錐角α相關(guān)，根據(jù)公式(4)透明圓錐體容器的半徑R越大傾斜角θ的分辨率越高，透明圓錐體容器的圓錐角α與傾斜角θ的分辨率成函數(shù)關(guān)系；一般來說，透明圓錐體容器的半徑R是由攝像頭的視覺范圍確定，透明圓錐體容器的半徑R為200mm，在成像平面上占240個像素；透明圓錐體容器的圓錐角α要根據(jù)實際水平測量范圍來選擇，對于小的傾斜角θ具有較高的分辨率；根據(jù)實際檢測精度的需要選擇或者設(shè)計透明圓錐體容器的圓錐角α； 再進一步，所述的微處理器還包括調(diào)平前的準備子模塊，用于預(yù)先設(shè)置平臺支撐點的結(jié)構(gòu)參數(shù)、調(diào)平的策略和支撐點移動速度的模式，具體步驟如下； 在公式(6)和公式(7)中都使用到了某一支撐點與圓柱體模型中心軸的距離Rx、X軸與某一支撐點和圓柱體模型中心軸的連線的夾角βxc這兩組平臺支撐點的結(jié)構(gòu)參數(shù)，這兩組參數(shù)必須平臺調(diào)平使用前預(yù)置好；為了不失一般性，本發(fā)明中采用6支撐點平臺來說明通過計算獲得兩組6支撐點的結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法； 步驟1)確定平臺的中心點這里首先要確定平臺的中心點O、約定支撐點的命名方式，確定平臺的中心點O點在矩形平面的中心； 步驟2)命名各支撐點以順時針方向依次約定6個支撐點A、B、C、D、E、F； 步驟3)建立坐標系定義O點與A點的連線為X軸方向； 步驟4)建立圓柱體模型主要完成兩個任務(wù)，第一是計算O點與6個支撐點A、B、C、D、E、F之間的長度，得到支撐點與圓柱體模型中心軸的距離Rx，通過矩形邊的寬度W和高度H以及勾股定理計算得到各支撐點與圓柱體模型中心軸的距離Rx，將最短的距離Rx作為圓柱體模型的半徑R； 第二是得到各支撐點的方位信息；需要計算X軸與各支撐點和圓柱體模型中心軸連線的夾角βxc，βxc角與各支撐點位置分布有關(guān)，同時也與全方位傾斜傳感器的坐標系和平臺的坐標系相關(guān)，在全方位傾斜傳感器的坐標系中定義了Xs表示全方位傾斜傳感器的X軸；在平臺的坐標系中定義了X表示平臺的X軸，因此只要兩個X軸線完全吻合且均以順時針方向計算傾斜方位角，則平臺的測量傾斜方位角就與全方位傾斜傳感器的測量傾斜方位角完全一致，這樣就在平臺水平的傳感檢測和控制上建立了統(tǒng)一的參照系； 進一步，以平臺中心O點與支撐點A點的連線為X軸方向，從順時針方向計算各支撐點與X軸的夾角βxc，各支撐點與X軸的夾角βxc計算如公式(9)所示， 用表1來歸納各支撐點與圓柱體模型中心軸的距離Rx、X軸與各支撐點和圓柱體模型中心軸的連線的夾角βxc這兩組平臺支撐點的結(jié)構(gòu)參數(shù)計算結(jié)果；這些結(jié)構(gòu)參數(shù)最終存放在系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)存儲單元內(nèi)； βA1c＝0 βB1c＝2×tan-1(H/W) βC1c＝2×tan-1(H/W)+tan-1(W/H) βD1c＝2×tan-1(H/W)+2×tan-1(W/H) (9) βE1c＝4×tan-1(H/W)+2×tan-1(W/H) βF1c＝4×tan-1(H/W)+3×tan-1(W/H) 表1平臺支撐點的結(jié)構(gòu)參數(shù)
表1 步驟5)確定調(diào)平的策略用戶可以通過人機界面選擇圓柱體“最高點”調(diào)平算法、圓柱體“最低點”調(diào)平算法、圓柱體“中間點”調(diào)平算法和“基準點”調(diào)平算法中的任何一種平臺調(diào)平策略，其中如果用戶選擇了“基準點”調(diào)平算法，首先要求用戶選擇①先調(diào)平后對準②先對準后調(diào)平，缺省的選擇為①先調(diào)平后對準，接著要求用戶輸入“基準點”的具體數(shù)據(jù)，作為平臺的控制高度值zc；另外還要求用戶輸入平臺的調(diào)平精度值Pv，如Pv＝0.1°，平臺初始高度值zo，這些輸入結(jié)果保存在系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)存儲單元內(nèi)； 步驟6)確定各支撐點移動速度的模式為了使得平臺在平移或調(diào)平過程中平穩(wěn)、快速地調(diào)整到設(shè)定的水平位置，同時必須各支撐點能均勻受力，預(yù)置了各支撐點移動速度模式，屬于一種正弦曲線；具體的參數(shù)需要與支撐點的位置伺服控制參數(shù)來確定，用戶可以通過位置伺服控制生產(chǎn)廠商所提供的數(shù)據(jù)輸入最大移動速度等技術(shù)參數(shù)，最終確定平臺最大能力調(diào)平速度

(dθ/dt)ab和

的控制曲線形式；為了便于數(shù)字控制，采用n等分(n為偶數(shù))將這些控制曲線進行離散化，并將其以數(shù)表形式動態(tài)存放于系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)存儲單元內(nèi)的加、減速曲線庫中，其中加速曲線數(shù)據(jù)存放在0～n/2數(shù)據(jù)單元中，減速曲線數(shù)據(jù)存放在n/2+1～n數(shù)據(jù)單元中；n的取值越大離散化后的速度控制曲線越接近于連續(xù)速度控制曲線，本發(fā)明中建議n的取值在200以上，并為偶數(shù)。
所述的平臺的調(diào)平控制，用于將平臺調(diào)平并對準到某一目標高度； 平臺的調(diào)平控制是根據(jù)全方位傾斜傳感器的測量結(jié)果，即平臺傾斜角θ和測量傾斜方位角βc，根據(jù)調(diào)平前的準備子模塊中輸入的數(shù)據(jù)和調(diào)平控制策略，以公式(6)為各支撐點的位置伺服控制目標，以公式(7)為各支撐點的位置伺服中的速度控制要求，以實現(xiàn)在平臺的調(diào)平過程中各支撐點均勻受力協(xié)同快速完成平臺的調(diào)平任務(wù)，調(diào)平控制的步驟如下 步驟1讀取全方位傾斜傳感器的平臺傾斜角θ和測量傾斜方位角βc，如果平臺傾斜角θ大于Pv，就進入步驟2，否則繼續(xù)重復步驟1； 步驟2計算各支撐點的計算傾斜方位角Rx，讀取表1中x軸與各支撐點和圓柱體模型中心軸連線的夾角βxc，然后根據(jù)全方位傾斜傳感器的測量傾斜方位角βc，利用公式(8)計算各支撐點的計算傾斜方位角Rx， 步驟3計算平臺的調(diào)平范圍比δ，如果用戶在人機界面上選擇了“基準點”調(diào)平算法，用公式(10)計算平臺的調(diào)平范圍比δ； δ＝(zo-zc)/R×sinθ0(10) 如果用戶選擇了“最高點”調(diào)平方案，δ＝1；如果用戶選擇了“最低點”調(diào)平方案，δ＝-1；如果用戶選擇了“中間點”調(diào)平方案，δ＝0； 步驟4確定調(diào)平偏差和調(diào)平速率，首先利用公式(11)計算在圓柱體模型中傾斜平臺最高點與最低點投影在Z軸上的距離Δ， Δ＝2R×sinθ0 (11) 接著，根據(jù)平臺需要調(diào)平的傾斜角θ和平移的距離(zc-zo+Δ)以及存儲在系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)存儲單元內(nèi)的加、減速曲線庫中的被離散化的平臺最大能力調(diào)平速度

的控制曲線生成實際控制調(diào)平速率

dθ/dt和對準速率

曲線，以下用dθ/dt的生成來說明算法的實現(xiàn)； 變量t從1～n/2循環(huán)，讀取變量t所對應(yīng)的(dθ/dt)ab中的數(shù)據(jù)(dθ/dt)ab(t)，然后用(15)計算累加值； 將t值和(dθ/dt)ab(t)值依次保存在動態(tài)存儲單元內(nèi)； 接著判斷∏≥θ/2，如果滿足條件，變量t1從(n-t)～n循環(huán)，讀取變量t1所對應(yīng)的(dθ/dt)ab中的數(shù)據(jù)(dθ/dt)ab(t)，將變量t值遞增，即t＝t+1，然后將t值和(dθ/dt)ab(t)值依次保存在動態(tài)存儲單元內(nèi)，程序結(jié)束； 將變量t2＝0，用do…while語句進行循環(huán)控制，接著用公式(16)計算累加值和變量t2的值； t2＝t2+1 (16) 將(t+t2)值和(dθ/dt)ab(n/2)值依次保存在動態(tài)存儲單元內(nèi)； 接著判斷∏≥θ/2，如果滿足條件，將t2值賦值給變量t3，用循環(huán)語句for從0～t3進行循環(huán)控制， t2＝t2+1 (17) 將(t+t2)值和(dθ/dt)ab(n/2)值依次保存在動態(tài)存儲單元內(nèi)； 變量t從(n+1)/2～n循環(huán)，讀取變量t所對應(yīng)的(dθ/dt)ab中的數(shù)據(jù)(dθ/dt)ab(t)，將(t+t2)值和(dθ/dt)ab(n/2)值依次保存在動態(tài)存儲單元內(nèi)； 步驟5計算各支撐點的位移和移動速度，如果用戶在人機界面上選擇了“基準點”調(diào)平算法，并且平臺的調(diào)平范圍比δ＞1時，采用公式(12)計算各支撐點的位移和移動速度； zx＝Rx×sinθ×[cos(βx/R)+1]+(zc-zo-Δ) 如果用戶在人機界面上選擇了“基準點”調(diào)平算法，并且平臺的調(diào)平范圍比δ＜-1時，采用公式(13)計算各支撐點的位移和移動速度； zx＝Rx×sinθ×[cos(βx/R)-1]-(zc-zo-Δ) (13) 如果用戶在人機界面上選擇了除了“基準點”以外的調(diào)平算法，采用公式(14)計算各支撐點的位移和移動速度； zx＝Rx×sinθ×[cos(βx/R)+δ(14)。
dzx/dt＝Rx×cosθ×[cos(βx/R)+δ]dθ/dt 所述的微處理器還包括平臺支撐腳位置伺服控制模塊，通過輸出接口將在所述的平臺支撐腳位置誤差計算模塊中所計算得到的各支撐點的位移量和位移速度等轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制電信號并輸入到平臺支撐腳位置伺服控制驅(qū)動單元，平臺支撐腳位置伺服控制驅(qū)動單元驅(qū)動平臺支撐腳位置伺服控制動作單元完成相應(yīng)的調(diào)平動作；位置伺服控制采用機電位置伺服來實現(xiàn)。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在(1)分辨力高、檢測范圍廣，實現(xiàn)了全方位的水平檢測；(2)適應(yīng)面廣，測量精度和量程范圍能定制；(3)在惡劣外部環(huán)境的影響下(如高溫、高濕、沙塵、雷電等)能長期可靠工作；(4)檢測參數(shù)多，能同時測量傾斜角度、傾斜角速度、傾斜角加速度、傾斜方位角度、傾斜方位角速度、傾斜方位角加速度；(5)低功耗型；(6)具有遠程訪問能力，容易實現(xiàn)遠程水平控制；(7)誤差檢定所需設(shè)備簡單，現(xiàn)場檢定操作簡便易行；(8)人機界面友好，能將視頻數(shù)據(jù)和檢測數(shù)據(jù)同時顯示在用戶界面上，使得控制和檢測結(jié)果更直觀、確認故障更容易；(9)配備有多種調(diào)平方案，用戶可以根據(jù)需求選擇適合自己的調(diào)平控制策略；(10)能同時滿足對三支撐點、四支撐點、六支撐點和八支撐點的平臺調(diào)平控制。



圖1為基于圓柱形模型的平臺調(diào)平裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖2為當被測物體發(fā)生傾斜時檢測傾斜角度的示意圖。
圖3為檢測傾斜方位角的示意圖。
圖4為不同圓錐角度構(gòu)成的透明圓錐體容器示意圖。
圖5為計算傾斜角的示意圖。
圖6為基于圓柱形模型的平臺調(diào)平裝置的軟件結(jié)構(gòu)框圖。
圖7為初始方位角確認示意圖。
圖8為5°圓錐角情況下透光寬度與傾斜角的關(guān)系曲線。
圖9為基于圓柱形模型的平臺調(diào)平裝置的人機用戶界面。
圖10為基于圓柱形模型的平臺調(diào)平裝置的嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成框圖。
圖11為5°圓錐角情況下透光寬度與傾斜角的關(guān)系曲線。
圖12為5°圓錐角情況下小傾斜角時透光寬度與傾斜角的關(guān)系曲線。
圖13為基于圓柱形模型的平臺調(diào)平方法的計算模型。
圖14為在不同的傾斜角度情況下基于圓柱形模型的平臺調(diào)平方法的調(diào)平控制曲線。
圖15為4支撐點將平臺調(diào)平到圓柱形模型的最低點的計算過程說明。
圖16為6支撐點將平臺調(diào)平到圓柱形模型的最低點的計算過程說明。
圖17為計算6支撐點將平臺調(diào)平到圓柱形模型最低點的需要移動距離位置的方法。
圖18為平臺最大能力調(diào)平速度

和(dθ/dt)ab的控制曲線形式。
圖19為根據(jù)平臺最大能力調(diào)平速度和平臺的調(diào)平偏差計算得到的調(diào)平速度

和dθ/dt的控制曲線形式。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
實施例1 參照圖1～圖18，一種基于圓柱形模型的平臺調(diào)平方法，包括全方位傾斜傳感器外殼1、LED照明光源2、透明圓錐體容器3、不透光液體4、攝像頭5、嵌入式系統(tǒng)6、電源7指南針8、平臺9、平臺支撐腳位置伺服控制動作單元10和平臺支撐腳位置伺服控制驅(qū)動單元11，所述的電源7給所述的照明光源2和所述的嵌入式系統(tǒng)6供電，所述的嵌入式系統(tǒng)6通過USB接口給所述的攝像頭5供電，所述的透明圓錐體容器3是由兩個同樣大小的圓錐體以背靠背的方式結(jié)合成一個封閉容器；所述的全方位傾斜傳感器外殼1中部固定著所述的透明圓錐體容器3，上部固定著所述的LED照明光源2，下部固定著所述的攝像頭5；所述的LED照明光源2朝下正對著所述的透明圓錐體容器3中心發(fā)出白色光，所述的攝像頭5朝上所述的透明圓錐體容器3中心感應(yīng)透過透明圓錐體容器3后的透射光，所述的攝像頭5通過USB接口從所述的攝像頭5中讀取圖像數(shù)據(jù)，全方位傾斜傳感器固定在所述的平臺9上，所述的平臺9由所述的平臺支撐腳位置伺服控制動作單元10支撐，所述的平臺支撐腳位置伺服控制驅(qū)動單元11控制所述的平臺支撐腳位置伺服控制動作單元10上下移動，所述的嵌入式系統(tǒng)6發(fā)出移動控制信號給所述的平臺支撐腳位置伺服控制驅(qū)動單元11； 所述的不透光液體4注入到所述的透明圓錐體容器3中，在所述的透明圓錐體容器中的所述的不透光液體的狀態(tài)將決定全方位水平檢測的水平傾斜角和傾斜方位角；當全方位傾斜傳感器處于水平狀態(tài)時，所述的照明光源2由于受到在所述的透明圓錐體容器3中的所述的不透光液體4遮光作用，所述的攝像頭5無法接收到從所述的照明光源發(fā)出的并經(jīng)所述的透明圓錐體容器3透射光，如附圖1所示；當全方位傾斜傳感器處于傾斜狀態(tài)時，所述的不透光液體4在所述的透明圓錐體容器3中發(fā)生流動維持水平狀態(tài)，這時在所述的照明光源2和所述的攝像頭5之間的所述的透明圓錐體容器3有一部分區(qū)域處于非遮擋狀態(tài)，如附圖2所示，所述的攝像頭5接收到從所述的照明光源發(fā)出的并經(jīng)所述的透明圓錐體容器3部分透射光；所述的不透光液體，需要根據(jù)動態(tài)檢測需求選擇不透光液體的粘度，對于在垂直方向存在作用力的情況，就需要采用粘度系數(shù)高的不透光液體；對于高動態(tài)檢測水平狀態(tài)情況則希望采用粘度系數(shù)低的不透光液體；對不透光液體選擇范圍就更廣，只要能很好吸收光的、沒有腐蝕性、對溫度不敏感、滿足一定粘度范圍的液體都能作為不透光液體； 所述的全方位傾斜傳感器外殼，形狀為圓柱型，圓柱型的兩個平面，其中一個平面內(nèi)側(cè)固定著LED光源，平面外側(cè)固定著指南針；在另一個平面上固定著攝像頭，且方向都向內(nèi)；圓柱型的中部固定著透明圓錐體容器；為了屏蔽外界光的干擾，全方位傾斜傳感器外殼采用不透光的材料，圓柱型的內(nèi)壁采用吸光性的材料，以避免在圓柱型內(nèi)壁出現(xiàn)光的折射所產(chǎn)生的干擾光；圓柱型的外壁上標有一條與圓柱型的軸線相平行的直線，將該直線作為方位角的始點；使用全方位傾斜傳感器時需要轉(zhuǎn)動全方位傾斜傳感器將指南針的指北的方向與該直線重合； 所述的嵌入式系統(tǒng)，包括嵌入式硬件和嵌入式軟件，所述的嵌入式軟件包括系統(tǒng)軟件和用戶軟件，所述的用戶軟件包括圖像獲取單元、傾斜角與傾斜方位角檢測單元、系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲單元、平臺水平控制單元、檢測數(shù)據(jù)存儲單元和檢測結(jié)果顯示單元； 所述的圖像獲取單元，用于讀取從攝像頭來的視頻數(shù)據(jù)，主要包括系統(tǒng)初始化模塊和圖像讀取模塊； 所述的系統(tǒng)初始化模塊，用于讀取存儲在所述的系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲單元中的一些系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如透明圓錐體容器的半徑R、透明圓錐體容器的圓錐角α、初始方位角β0、攝像頭的分辨率、傾斜角θ與透光部分的寬度值δ的計算表等數(shù)據(jù)；初始方位角β0的確定是根據(jù)圓柱型的外壁上的直線與所獲得的視頻圖像的X軸方向之間的夾角； 所述的圖像讀取模塊，用于讀取從攝像頭來的視頻數(shù)據(jù)，并將其保存在動態(tài)存儲單元內(nèi)； 所述的傾斜角與傾斜方位角檢測單元，用于檢測和計算被測物體的傾斜角θ與傾斜方位角β，主要包括傾斜方位角β檢測模塊、傾斜角θ檢測模塊和傾斜角θ和傾斜方位角β變化率計算模塊； 所述的傾斜方位角β檢測模塊，用于檢測被測物體的傾斜方位；本發(fā)明中傾斜方位角的定義是從正北方向開始以順時針方向用β角度值進行表示，在圖像平面上的檢測傾斜方位角是從X軸開始以順時針方向用βc角度值進行表示，如圖3所示；因此在傾斜方位角β與檢測傾斜方位角βc之間存在著以下關(guān)系，如式(1)所示， β＝βc+β0 (1) 式中β為傾斜方位角，βc為檢測傾斜方位角，β0為初始方位角； 初始方位角β0在全方位傾斜傳感器出廠檢測時根據(jù)圓柱型的外壁上的直線與所獲得的視頻圖像的X軸方向之間的夾角來確定，并寫入到系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲單元中； 檢測傾斜方位角βc是依據(jù)所獲得圖像中的透射光部分的幾何形狀來計算確定的，如圖3所示，檢測傾斜方位角是從X軸開始以順時針方向用βc角度值進行表示；根據(jù)物理學的原理，在被測物體發(fā)生傾斜時，不透光液體在透明圓錐體容器中發(fā)生流動維持水平狀態(tài)，由于透明圓錐體容器是由兩個相同大小的圓錐體構(gòu)成的，流出某一個圓錐體的不透光液體量必定等于流入另一個圓錐體的不透光液體量，且水平面必定通過透明圓錐體容器的中心點，如圖2所示，換句話說，傾斜狀態(tài)下的不透光液體量水平面是圍繞著Y軸進行旋轉(zhuǎn)的；從攝像頭拍攝的角度來看，原來沒有發(fā)生傾斜狀態(tài)時在透明圓錐體容器中的不透光液體在圖像平面上的形狀為一個園，在發(fā)生傾斜狀態(tài)時在透明圓錐體容器中的不透光液體在圖像平面上的形狀為半個園與半個橢圓，橢圓的長軸等于園的半徑，傾斜角與橢圓的短軸成函數(shù)關(guān)系，成像平面上的橢圓的短軸數(shù)據(jù)越小表明傾斜角度越大，而傾斜方位角則發(fā)生在橢圓短軸的方向；這時在成像平面上將會出現(xiàn)月牙型的感光區(qū)域，橢圓短軸的角度位置必定會出現(xiàn)月牙型的中部，從成像圖像上計算橢圓短軸的角度位置的計算方法如公式(2)所示，即從X軸開始以順時針方向進行檢索，具體算法如下 步驟1從X軸方向上引一條直線以圖像的圓心為中心為直線順時針旋轉(zhuǎn)方向檢索，如果在X軸方向上沒有光亮像素的話，就從X軸開始以圖像的圓心為中心為直線順時針旋轉(zhuǎn)方向檢索，反之跳轉(zhuǎn)到步驟3，如果旋轉(zhuǎn)直線遇到的圓形外圈的像素是光亮像素，就確定為該旋轉(zhuǎn)直線與X軸方向的夾角為β1； 步驟2接著用旋轉(zhuǎn)直線繼續(xù)以圖像的圓心為中心為直線順時針旋轉(zhuǎn)方向檢索，如果旋轉(zhuǎn)直線遇到的圓形外圈的像素是非光亮像素，前一個光亮像素的旋轉(zhuǎn)直線與X軸方向的夾角為β2；然后跳轉(zhuǎn)到步驟5， 步驟3接著用旋轉(zhuǎn)直線繼續(xù)以圖像的圓心為中心為直線順時針旋轉(zhuǎn)方向檢索，如果旋轉(zhuǎn)直線遇到的圓形外圈的像素是非光亮像素，前一個光亮像素的旋轉(zhuǎn)直線與X軸方向的夾角為β2； 步驟4接著用旋轉(zhuǎn)直線繼續(xù)以圖像的圓心為中心為直線逆時針旋轉(zhuǎn)方向檢索，如果旋轉(zhuǎn)直線遇到的圓形外圈的像素是非光亮像素，前一個光亮像素的旋轉(zhuǎn)直線與X軸方向的夾角為β1； 步驟5通過公式(2)計算橢圓短軸的角度βc， βc＝(β1+β2)/2 (2) 而檢測傾斜方位角βc必定出現(xiàn)在橢圓短軸的正方向； 所述的傾斜角θ檢測模塊，用于檢測被測物體的傾斜角；如圖2和圖5所示，傾斜角θ可以通過公式(3)計算得到 θ＝ctg-1[(R/δ-1)×ctg(α)] (3) 上式中，R為透明圓錐體容器的半徑，α為透明圓錐體容器的圓錐角，δ為透光的月牙型的中部的寬度值，θ為傾斜角； 這里，透明圓錐體容器的半徑R和透明圓錐體容器的圓錐角α從存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲單元中的系統(tǒng)數(shù)據(jù)中得到的，透光的月牙型的中部的寬度值δ是通過對圖像的分析算法得到的，具體算法如下 根據(jù)公式(2)所得到的橢圓短軸的角度βc和圖像的圓心為中心為直線穿越透光的月牙型，計算其透光的像素值；如果攝像頭的分辨率為640×480(pixel)、透明圓錐體容器的半徑R為20mm，每個像素約為0.083mm，如果計算得到的透光像素值為5個像素，那么透光的月牙型的中部的寬度值δ為0.415mm； 傾斜角θ的分辨率與透明圓錐體容器的半徑R和透明圓錐體容器的圓錐角α相關(guān)，根據(jù)公式(2)透明圓錐體容器的半徑R越大傾斜角θ的分辨率越高，透明圓錐體容器的圓錐角α與傾斜角θ的分辨率成函數(shù)關(guān)系；一般來說，透明圓錐體容器的半徑R是由攝像頭的視覺范圍確定，在本發(fā)明中透明圓錐體容器的半徑R為200mm，在成像平面上占240個像素；透明圓錐體容器的圓錐角α要根據(jù)實際水平測量范圍來選擇，圖8是在透明圓錐體容器的半徑R為20mm、圓錐角α分別為5°情況下，透光月牙型的中部的寬度值δ和傾斜角θ的曲線圖；從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，在圓錐角α＝5°的情況下，如圖14所示，在0～100像素范圍內(nèi)，透光像素值與傾斜角之間基本上是成線性關(guān)系，對于小的傾斜角θ具有較高的分辨率，如果圖像分辨率為640×480(pixel)的話，每個像素值能反映0.02°的傾斜角，也就是說，在圓錐角α＝5°的情況下系統(tǒng)的最小分辨率為0.02°，如圖15所示，這樣的設(shè)計能滿足高精度的平臺水平控制要求； 所述的傾斜角θ和傾斜方位角β變化率計算模塊，用于計算傾斜角速度、傾斜角加速度、傾斜方位角速度和傾斜方位角加速度；本發(fā)明計算傾斜角θ和傾斜方位角β是建立在對圖像的分析和處理的基礎(chǔ)上的，攝像頭獲取圖像是一個離散化的過程，比如每秒獲取25幀圖像，而嵌入式系統(tǒng)處理圖像也需要一定的時間，綜合這些因素，在本發(fā)明中采用每秒采集處理10幀圖像，因此兩幀圖像處理間隔為Δt＝1/6秒，用公式(4)來計算傾斜角速度和傾斜方位角速度， Δθ(t)＝(θ(t)-θ(t-1))/Δt (4) Δβ(t)＝(β(t)-β(t-1))/Δt 式中，θ(t)為t幀時的傾斜角度，θ(t-1)為t-1幀時的傾斜角度，β(t)為t幀時的傾斜方位角度，β(t-1)為t-1幀時的傾斜方位角度，Δθ(t)為t幀時的傾斜角速度，Δβ(t)為t幀時的傾斜方位角速度； 同樣道理用公式(5)來計算傾斜角加速度和傾斜方位角加速度， Δ2θ(t)＝(Δθ(t)-Δθ(t-1))/Δt (5) Δ2β(t)＝(Δβ(t)-Δβ(t-1))/Δt 式中，Δθ(t)為t幀時的傾斜角速度，Δθ(t-1)為t-1幀時的傾斜角速度，Δβ(t)為t幀時的傾斜方位角速度，Δβ(t-1)為t-1幀時的傾斜方位角速度，Δ2θ(t)為t幀時的傾斜角加速度，Δ2β(t)為t幀時的傾斜方位角加速度； 對于計算好的傾斜方位角度β(t)、傾斜方位角速度Δβ(t)、傾斜方位角加速度Δ2β(t)、傾斜角度θ(t)、傾斜角速度Δθ(t)、傾斜角加速度Δ2θ(t)、當前的系統(tǒng)時間t以及視頻圖像等數(shù)據(jù)提交給檢測數(shù)據(jù)存儲單元進行保存，同時加工成顯示頁面送交給檢測結(jié)果顯示單元進行顯示；顯示頁面如圖9所示，在顯示頁面上即有實時的視頻圖像，又有各種檢測數(shù)據(jù)以及全方位傾斜傳感器的系統(tǒng)參數(shù)，以便于使用者能直觀的確認檢測結(jié)果； 進一步，保存在檢測數(shù)據(jù)存儲單元的檢測結(jié)果數(shù)據(jù)是按照時間序列進行存儲的，有時為了觀察傾斜方位角度β(t)、傾斜方位角速度Δβ(t)、傾斜方位角加速度Δ2β(t)、傾斜角度θ(t)、傾斜角速度Δθ(t)、傾斜角加速度Δ2θ(t)的變化過程，使用者可以通過頁面上(圖9)的選擇菜單(顯示)來顯示傾斜方位角度β(t)、傾斜方位角速度Δβ(t)、傾斜方位角加速度Δ2β(t)的變化曲線和傾斜角度θ(t)、傾斜角速度Δθ(t)、傾斜角加速度Δ2θ(t)的變化曲線； 所述的平臺水平控制單元，用于控制平臺的水平度，主要包括平臺支撐腳位置誤差計算模塊和平臺支撐腳位置伺服控制模塊； 所述的平臺支撐腳位置誤差計算模塊，用于計算要將平臺對準以及調(diào)整到水平位置狀態(tài)下平臺各支撐點的移動距離，包括調(diào)平前的準備子模塊和平臺調(diào)平控制子模塊；根據(jù)不同需求，本發(fā)明中采用了圓柱體“最高點”調(diào)平算法、圓柱體“最低點”調(diào)平算法、圓柱體“中間點”調(diào)平算法和“基準點”調(diào)平算法； 考慮到平臺各支撐點并非規(guī)則排列，為了保證各支撐點在平臺調(diào)平過程中能均勻受力且按照平臺調(diào)平控制方法迅速完成調(diào)平任務(wù)；根據(jù)平臺調(diào)平后的位置高度，用公式(6)計算各支撐點需要移動的距離位置， δ＝(zc-zo)/R×sinθ0 Δ＝2R×sinθ0 式中，zx表示某一支撐點實現(xiàn)某種調(diào)平所需要移動的垂直距離，Rx表示某一支撐點與圓柱體模型中心軸的距離，θ表示平臺的傾斜角，βx表示某一支撐點的計算傾斜方位角，它是X軸與某一支撐點和圓柱體模型中心軸連線的夾角βxc和測量傾斜方位角βc的差，即βx＝βxc-βc，βx∈
逆時針方向，zo表示平臺調(diào)平前中間點在Z軸上的位置，zc表示平臺調(diào)平后中間點在Z軸上的位置，R表示圓柱體模型的半徑，Δ表示在圓柱體模型中傾斜平臺最高點與最低點投影在Z軸上的距離，θ0表示平臺在調(diào)平前的傾斜角，δ表示平臺的調(diào)平范圍比，|δ|≤1表示調(diào)平范圍在圓柱體模型中傾斜平臺最高點與最低點投影范圍內(nèi)，δ＜-1表示調(diào)平位置高于圓柱體模型中傾斜平臺的最高點在Z軸上的投影點，δ＞1表示調(diào)平位置低于圓柱體模型中傾斜平臺的最低點在Z軸上的投影點；公式(6)中平臺的傾斜角θ和支撐點的計算傾斜方位角βx的信息是從全方位傾斜傳感器的檢測結(jié)果中獲得的； 對公式(6)求導可以得到平臺各支撐點的移動速度，用公式(7)表示， 從公式(6)和公式(7)得到如下3種對準調(diào)平方案方案1)單一調(diào)平方案，當調(diào)平后的位置在圓柱體模型中傾斜平臺的最高點和最低點之間，包括最高點和最低點，即滿足|δ|≤1條件時，可以一步實現(xiàn)平臺對準調(diào)平到位，每個支撐點的調(diào)平速度必須滿足Rx×cosθ×[cos(βx/R)+δ]dθ/dt，其中dθ/dt為調(diào)平速度，調(diào)平速度曲線為柔性運動控制曲線，如附圖18所示；當調(diào)平后的位置超出圓柱體模型中傾斜平臺的最高點或者最低點時，即當δ＞1或者δ＜-1時，對準調(diào)平需要分調(diào)平和對準這兩個不同過程完成，實現(xiàn)方案可以是先調(diào)平后對準也可以是先對準后調(diào)平；方案2)先調(diào)平后對準的方案，具體做法是，首先向著圓柱體模型中傾斜平臺的最高點或者最低點方向完成調(diào)平，當δ＞1時，向圓柱體模型中傾斜平臺的最高點進行調(diào)平，每個支撐點的調(diào)平速度必須滿足

其中

為調(diào)平速度，調(diào)平速度曲線為柔性運動控制曲線，如附圖18所示；當δ＜-1時，向圓柱體模型中傾斜平臺的最低點進行調(diào)平，每個支撐點的調(diào)平速度必須滿足

其中

為調(diào)平速度，調(diào)平速度曲線為柔性運動控制曲線；接著當調(diào)平動作結(jié)束后，所有支撐點以相同的速度

進行平移動作，其中

為平移速度，平移速度曲線為柔性運動控制曲線，直到平臺平面移動到所設(shè)定的高度；方案3)先對準后調(diào)平的方案，具體做法是，首先所有支撐點以相同的速度

進行平移動作，其中

為平移速度，平移速度曲線為柔性運動控制曲線，當δ＞1時每個支撐點向上移動(zc-zo-Δ)距離，當δ＜-1時每個支撐點向下移動(zc-zo+Δ)距離；當對準動作結(jié)束后，當δ＜-1時，向傾斜平臺的最高點進行調(diào)平，每個支撐點的調(diào)平速度必須滿足

其中

為調(diào)平速度，調(diào)平速度曲線為柔性運動控制曲線；當δ＞1時，向傾斜平臺的最低點進行調(diào)平，每個支撐點的調(diào)平速度必須滿足

其中

為調(diào)平速度，調(diào)平速度曲線為柔性運動控制曲線，如附圖18所示； 下面具體說明平臺的調(diào)平方法 1)調(diào)平前的準備 在公式(6)和公式(7)中都使用到了某一支撐點與圓柱體模型中心軸的距離Rx、X軸與某一支撐點和圓柱體模型中心軸的連線的夾角βxc這兩組平臺支撐點的結(jié)構(gòu)參數(shù)，這兩組參數(shù)必須平臺調(diào)平使用前預(yù)置好；為了不失一般性，本發(fā)明中采用6支撐點平臺來說明通過計算獲得兩組6支撐點的結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法； 步驟1)確定平臺的中心點這里首先要確定平臺的中心點O、約定支撐點的命名方式，如附圖16所示，確定平臺的中心點O點在矩形平面的中心； 步驟2)命名各支撐點以順時針方向依次約定6個支撐點A、B、C、D、E、F； 步驟3)建立坐標系定義O點與A點的連線為X軸方向； 步驟4)建立圓柱體模型主要完成兩個任務(wù)，第一是計算O點與6個支撐點A、B、C、D、E、F之間的長度，得到支撐點與圓柱體模型中心軸的距離Rx，通過矩形邊的寬度W和高度H以及勾股定理計算得到各支撐點與圓柱體模型中心軸的距離Rx，在本發(fā)明中將最短的距離Rx作為圓柱體模型的半徑R； 第二是得到各支撐點的方位信息；需要計算X軸與各支撐點和圓柱體模型中心軸連線的夾角βxc，βxc角與各支撐點位置分布有關(guān)，同時也與全方位傾斜傳感器的坐標系和平臺的坐標系相關(guān)，如附圖3所示，在全方位傾斜傳感器的坐標系中定義了Xs表示全方位傾斜傳感器的X軸；在平臺的坐標系中定義了X表示平臺的X軸，因此只要兩個X軸線完全吻合且均以順時針方向計算傾斜方位角，則平臺的測量傾斜方位角就與全方位傾斜傳感器的測量傾斜方位角完全一致，這樣就在平臺水平的傳感檢測和控制上建立了統(tǒng)一的參照系； 進一步，在本發(fā)明中以平臺中心O點與支撐點A點的連線為X軸方向，從順時針方向計算各支撐點與X軸的夾角βxc，如附圖16所示，各支撐點與X軸的夾角βxc計算如公式(9)所示， 用表1來歸納附圖16中的各支撐點與圓柱體模型中心軸的距離Rx、X軸與各支撐點和圓柱體模型中心軸的連線的夾角βxc這兩組平臺支撐點的結(jié)構(gòu)參數(shù)計算結(jié)果；這些結(jié)構(gòu)參數(shù)最終存放在附圖6中所示的系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)存儲單元內(nèi)； βA1c＝0 βB1c＝2×tan-1(H/W) βC1c＝2×tan-1(H/W)+tan-1(W/H) βD1c＝2×tan-1(H/W)+2×tan-1(W/H) (9) βE1c＝4×tan-1(H/W)+2×tan-1(W/H) βF1c＝4×tan-1(H/W)+3×tan-1(W/H) 表1平臺支撐點的結(jié)構(gòu)參數(shù)
步驟5)確定調(diào)平的策略用戶可以通過人機界面選擇圓柱體“最高點”調(diào)平算法、圓柱體“最低點”調(diào)平算法、圓柱體“中間點”調(diào)平算法和“基準點”調(diào)平算法中的任何一種平臺調(diào)平策略，其中如果用戶選擇了“基準點”調(diào)平算法，首先要求用戶選擇①先調(diào)平后對準②先對準后調(diào)平，缺省的選擇為①先調(diào)平后對準，接著要求用戶輸入“基準點”的具體數(shù)據(jù)，作為平臺的控制高度值zc；另外還要求用戶輸入平臺的調(diào)平精度值Pv，如Pv＝0.1°，平臺初始高度值zo，這些輸入結(jié)果保存在附圖6中所示的系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)存儲單元內(nèi)； 步驟6)確定各支撐點移動速度的模式為了使得平臺在平移或調(diào)平過程中平穩(wěn)、快速地調(diào)整到設(shè)定的水平位置，同時必須各支撐點能均勻受力，在本發(fā)明中預(yù)置了各支撐點移動速度模式，如附圖18所示，屬于一種正弦曲線；具體的參數(shù)需要與支撐點的位置伺服控制參數(shù)來確定，用戶可以通過位置伺服控制生產(chǎn)廠商所提供的數(shù)據(jù)輸入最大移動速度等技術(shù)參數(shù)，最終確定平臺最大能力調(diào)平速度

(dθ/dt)ab和

的控制曲線形式；為了便于數(shù)字控制，本發(fā)明中采用n等分(n為偶數(shù))將這些控制曲線進行離散化，并將其以數(shù)表形式動態(tài)存放于系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)存儲單元內(nèi)的加、減速曲線庫中，其中加速曲線數(shù)據(jù)存放在0～n/2數(shù)據(jù)單元中，減速曲線數(shù)據(jù)存放在n/2+1～n數(shù)據(jù)單元中；n的取值越大離散化后的速度控制曲線越接近于連續(xù)速度控制曲線，因此建議n的取值在200以上，并為偶數(shù)。
2)平臺的調(diào)平控制 平臺的調(diào)平控制是根據(jù)全方位傾斜傳感器的測量結(jié)果(平臺傾斜角θ和測量傾斜方位角βc)，根據(jù)調(diào)平前的準備中輸入的數(shù)據(jù)和調(diào)平控制策略，以公式(6)為各支撐點的位置伺服控制目標，以公式(7)為各支撐點的位置伺服中的速度控制要求，以實現(xiàn)在平臺的調(diào)平過程中各支撐點均勻受力協(xié)同快速完成平臺的調(diào)平任務(wù)，調(diào)平控制的步驟如下 步驟1讀取全方位傾斜傳感器的平臺傾斜角θ和測量傾斜方位角βc，如果平臺傾斜角θ大于Pv，就進入步驟2，否則繼續(xù)重復步驟1； 步驟2計算各支撐點的計算傾斜方位角Rx，讀取表1中x軸與各支撐點和圓柱體模型中心軸連線的夾角βxc，然后根據(jù)全方位傾斜傳感器的測量傾斜方位角βc，利用公式(8)計算各支撐點的計算傾斜方位角Rx， 步驟3計算平臺的調(diào)平范圍比δ，如果用戶在人機界面上選擇了“基準點”調(diào)平算法，用公式(10)計算平臺的調(diào)平范圍比δ； δ＝(zo-zc)R×Sinθ0 (10) 如果用戶選擇了“最高點”調(diào)平方案，δ＝1；如果用戶選擇了“最低點”調(diào)平方案，δ＝-1；如果用戶選擇了“中間點”調(diào)平方案，δ＝0； 步驟4確定調(diào)平偏差和調(diào)平速率，首先利用公式(11)計算在圓柱體模型中傾斜平臺最高點與最低點投影在Z軸上的距離Δ， Δ＝2R×sinθ0 (11) 接著，根據(jù)平臺需要調(diào)平的傾斜角θ和平移的距離(zc-zo+Δ)以及存儲在系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)存儲單元內(nèi)的加、減速曲線庫中的被離散化的平臺最大能力調(diào)平速度

和

的控制曲線生成實際控制調(diào)平速率

dθ/dt和對準速率

曲線，以下用dθ/dt的生成來說明算法的實現(xiàn)； 變量t從1～n/2循環(huán)，讀取變量t所對應(yīng)的(dθ/dt)ab中的數(shù)據(jù)(dθ/dt)ab(t)，然后用(15)計算累加值； 將t值和(dθ/dt)ab(t)值依次保存在動態(tài)存儲單元內(nèi)； 接著判斷∏≥θ/2，如果滿足條件，變量t1從(n-t)～n循環(huán)，讀取變量t1所對應(yīng)的(dθ/dt)ab中的數(shù)據(jù)(dθ/dt)ab(t)，將變量t值遞增，即t＝t+1，然后將t值和(dθ/dt)ab(t)值依次保存在動態(tài)存儲單元內(nèi)，程序結(jié)束； 將變量t2＝0，用do…while語句進行循環(huán)控制，接著用公式(16)計算累加值和變量t2的值； t2＝t2+1 (16) 將(t+t2)值和(dθ/dt)ab(n/2)值依次保存在動態(tài)存儲單元內(nèi)； 接著判斷∏≥θ/2，如果滿足條件，將t2值賦值給變量t3，用循環(huán)語句for從0～t3進行循環(huán)控制， t2＝t2+1 (17) 將(t+t2)值和(dθ/dt)ab(n/2)值依次保存在動態(tài)存儲單元內(nèi)； 變量t從(n+1)/2～n循環(huán)，讀取變量t所對應(yīng)的(dθ/dt)ab中的數(shù)據(jù)(dθ/dt)ab(t)，將(t+t2)值和(dθ/dt)ab(n/2)值依次保存在動態(tài)存儲單元內(nèi)； 根據(jù)不同的調(diào)平傾斜角和上述的實際控制調(diào)平速率生成方式，所生成的曲線可以由附圖19所示的三種形式，附圖19(a)表示實際控制調(diào)平速率正好與平臺的最大調(diào)平能力相吻合，附圖19(b)表示實際控制調(diào)平速率還未達到平臺的最大調(diào)平速度時已能完成了調(diào)平過程，附圖19(c)表示實際控制調(diào)平速率在達到平臺的最大調(diào)平速度時還需保持一段時間才能完成調(diào)平過程；對于對準移動

曲線的生成算法與上述調(diào)平控制dθ/dt曲線的生成算法相同； 步驟5計算各支撐點的位移和移動速度，如果用戶在人機界面上選擇了“基準點”調(diào)平算法，并且平臺的調(diào)平范圍比δ＞1時，采用公式(12)計算各支撐點的位移和移動速度； zx＝Rx×sinθ×[cos(βx/R)+1]+(zc-zo-Δ) 如果用戶在人機界面上選擇了“基準點”調(diào)平算法，并且平臺的調(diào)平范圍比δ＜-1時，采用公式(13)計算各支撐點的位移和移動速度； zx＝Rx×sinθ×[cos(βx/R)-1]-(zc-zo-Δ) (13) 如果用戶在人機界面上選擇了除了“基準點”以外的調(diào)平算法，采用公式(14)計算各支撐點的位移和移動速度； zx＝Rx×sinθ×[cos(βx/R)+δ](14) dzx/dt＝Rx×cosθ×[cos(βx/R)+δ]dθ/dt 位置誤差控制調(diào)平法采用機電伺服控制，這種伺服控制具有調(diào)平精度高、調(diào)平速度快的優(yōu)點；在基于圓柱模型的最高點、最低點和中間點等調(diào)平方案中，對平臺不同的初始預(yù)支承情況，平臺離地面的高度都會改變；對于海上平臺的調(diào)平控制則最好采用“中間點”調(diào)平算法；如果要求平臺離地面的高度保持恒定，則需要對每個支撐點設(shè)定一個初始值，以該初始值為參考標準，采用“任意點”的調(diào)平策略； 進一步，給各個平臺支撐腳位置伺服控制驅(qū)動單元發(fā)出位置控制信號給平臺支撐腳位置伺服控制動作單元，平臺支撐腳位置伺服控制驅(qū)動單元將伺服電機旋轉(zhuǎn)變壓器信號換算出的實際位置信號和實際速度信號分別作為位置環(huán)反饋信號和速度環(huán)反饋信號實現(xiàn)閉環(huán)控制，而使系統(tǒng)快速平滑地跟隨位置設(shè)定值，實現(xiàn)平臺的調(diào)平； 所述的平臺支撐腳位置伺服控制模塊，通過輸出接口將在所述的平臺支撐腳位置誤差計算模塊中所計算得到的各支撐點的位移量和位移速度等轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制電信號并輸入到平臺支撐腳位置伺服控制驅(qū)動單元，平臺支撐腳位置伺服控制驅(qū)動單元驅(qū)動平臺支撐腳位置伺服控制動作單元完成相應(yīng)的調(diào)平動作；位置伺服控制采用機電位置伺服或者電液位置伺服來實現(xiàn)。
實施例2 其余與實施例1相同，對于無位置伺服控制調(diào)平裝置的平臺，在人機界面上輸出各支撐點的調(diào)整位移值，提示操作人員按照所提示的內(nèi)容進行操作能一次快速實現(xiàn)平臺的調(diào)平。
權(quán)利要求
1.一種基于圓柱形模型的平臺調(diào)平裝置，其特征在于包括全方位傾斜傳感器外殼、LED照明光源、透明圓錐體容器、不透光液體、攝像頭、微處理器、電源、指南針、平臺、平臺支撐腳位置伺服控制動作單元和平臺支撐腳位置伺服控制驅(qū)動單元，所述的電源與所述的照明光源和所述的微處理器連接，所述的微處理器與所述的攝像頭連接，所述的透明圓錐體容器是由兩個同樣大小的圓錐體以背靠背的方式結(jié)合成一個封閉容器；所述的全方位傾斜傳感器外殼中部固定著所述的透明圓錐體容器，上部固定著所述的LED照明光源，下部固定著所述的攝像頭；所述的LED照明光源朝下正對著所述的透明圓錐體容器中心發(fā)出白色光，所述的攝像頭朝上所述的透明圓錐體容器中心感應(yīng)透過透明圓錐體容器后的透射光，所述的攝像頭通過USB接口從所述的攝像頭中讀取圖像數(shù)據(jù)，全方位傾斜傳感器固定在所述的平臺上，所述的平臺由所述的平臺支撐腳位置伺服控制動作單元支撐，所述的平臺支撐腳位置伺服控制驅(qū)動單元控制所述的平臺支撐腳位置伺服控制動作單元上下移動，所述的微處理器發(fā)出移動控制信號給所述的平臺支撐腳位置伺服控制驅(qū)動單元；
所述的全方位傾斜傳感器外殼呈圓柱型，圓柱型的兩個平面，其中一個平面內(nèi)側(cè)固定著LED光源，平面外側(cè)固定著指南針；在另一個平面上固定著攝像頭，且方向都向內(nèi)；圓柱型的中部固定著透明圓錐體容器；全方位傾斜傳感器外殼采用不透光的材料，圓柱型的內(nèi)壁采用吸光性的材料；圓柱型的外壁上標有一條與圓柱型的軸線相平行的直線，將該直線作為方位角的始點；使用全方位傾斜傳感器時需要轉(zhuǎn)動全方位傾斜傳感器將指南針的指北的方向與該直線重合；
所述的不透光液體注入到所述的透明圓錐體容器中，在所述的透明圓錐體容器中的所述的不透光液體的狀態(tài)將決定全方位水平檢測的水平傾斜角和傾斜方位角；當全方位傾斜傳感器處于水平狀態(tài)時，所述的照明光源由于受到在所述的透明圓錐體容器中的所述的不透光液體遮光作用，所述的攝像頭無法接收到從所述的照明光源發(fā)出的并經(jīng)所述的透明圓錐體容器透射光；當全方位傾斜傳感器處于傾斜狀態(tài)時，所述的不透光液體在所述的透明圓錐體容器中發(fā)生流動維持水平狀態(tài)，這時在所述的照明光源和所述的攝像頭之間的所述的透明圓錐體容器有一部分區(qū)域處于非遮擋狀態(tài)，所述的攝像頭接收到從所述的照明光源發(fā)出的并經(jīng)所述的透明圓錐體容器部分透射光；
所述微處理器包括平臺水平控制單元，用于控制平臺的水平度，主要包括平臺支撐腳位置誤差計算模塊和平臺支撐腳位置伺服控制模塊；
所述的平臺支撐腳位置誤差計算模塊，用于計算要將平臺對準以及調(diào)整到水平位置狀態(tài)下平臺各支撐點的移動距離，包括調(diào)平前的準備子模塊和平臺調(diào)平控制子模塊；根據(jù)不同需求，采用圓柱體“最高點”調(diào)平算法、圓柱體“最低點”調(diào)平算法、圓柱體“中間點”調(diào)平算法和“基準點”調(diào)平算法；
考慮到平臺各支撐點并非規(guī)則排列，為了保證各支撐點在平臺調(diào)平過程中能均勻受力且按照平臺調(diào)平控制方法迅速完成調(diào)平任務(wù)；根據(jù)平臺調(diào)平后的位置高度，用公式(6)計算各支撐點需要移動的距離位置，
Δ＝2R×sinθ0
式中，zx表示某一支撐點實現(xiàn)某種調(diào)平所需要移動的垂直距離，Rx表示某一支撐點與圓柱體模型中心軸的距離，θ表示平臺的傾斜角，βx表示某一支撐點的計算傾斜方位角，它是X軸與某一支撐點和圓柱體模型中心軸連線的夾角βxc和測量傾斜方位角βc的差，即βx＝βxc-βc，βx∈
逆時針方向，zo表示平臺調(diào)平前中間點在Z軸上的位置，zc表示平臺調(diào)平后中間點在Z軸上的位置，R表示圓柱體模型的半徑，Δ表示在圓柱體模型中傾斜平臺最高點與最低點投影在Z軸上的距離，θ0表示平臺在調(diào)平前的傾斜角，δ表示平臺的調(diào)平范圍比，|δ|≤1表示調(diào)平范圍在圓柱體模型中傾斜平臺最高點與最低點投影范圍內(nèi)，δ＜-1表示調(diào)平位置高于圓柱體模型中傾斜平臺的最高點在Z軸上的投影點，δ＞1表示調(diào)平位置低于圓柱體模型中傾斜平臺的最低點在Z軸上的投影點；公式(6)中平臺的傾斜角θ和支撐點的計算傾斜方位角βx的信息是從全方位傾斜傳感器的檢測結(jié)果中獲得的；
對公式(6)求導可以得到平臺各支撐點的移動速度，用公式(7)表示，
從公式(6)和公式(7)得到如下3種對準調(diào)平方案方案1)單一調(diào)平方案，當調(diào)平后的位置在圓柱體模型中傾斜平臺的最高點和最低點之間，包括最高點和最低點，即滿足|δ|≤1條件時，可以一步實現(xiàn)平臺對準調(diào)平到位，每個支撐點的調(diào)平速度必須滿足Rx×cosθ×[cos(βx/R)+δ]dθ/dt，其中dθ/dt為調(diào)平速度，調(diào)平速度曲線為柔性運動控制曲線；當調(diào)平后的位置超出圓柱體模型中傾斜平臺的最高點或者最低點時，即當δ＞1或者δ＜-1時，對準調(diào)平需要分調(diào)平和對準這兩個不同過程完成，實現(xiàn)方案可以是先調(diào)平后對準也可以是先對準后調(diào)平；方案2)先調(diào)平后對準的方案，具體做法是，首先向著圓柱體模型中傾斜平臺的最高點或者最低點方向完成調(diào)平，當δ＞1時，向圓柱體模型中傾斜平臺的最高點進行調(diào)平，每個支撐點的調(diào)平速度必須滿足
其中
為調(diào)平速度，調(diào)平速度曲線為柔性運動控制曲線；當δ＜-1時，向圓柱體模型中傾斜平臺的最低點進行調(diào)平，每個支撐點的調(diào)平速度必須滿足
其中
為調(diào)平速度，調(diào)平速度曲線為柔性運動控制曲線；接著當調(diào)平動作結(jié)束后，所有支撐點以相同的速度
進行平移動作，其中
為平移速度，平移速度曲線為柔性運動控制曲線，直到平臺平面移動到所設(shè)定的高度；方案3)先對準后調(diào)平的方案，具體做法是，首先所有支撐點以相同的速度
進行平移動作，其中
為平移速度，平移速度曲線為柔性運動控制曲線，當δ＞1時每個支撐點向上移動(zc-zo-Δ)距離，當δ＜-1時每個支撐點向下移動(zc-zo+Δ)距離；當對準動作結(jié)束后，當δ＜-1時，向傾斜平臺的最高點進行調(diào)平，每個支撐點的調(diào)平速度必須滿足
其中
為調(diào)平速度，調(diào)平速度曲線為柔性運動控制曲線；當δ＞1時，向傾斜平臺的最低點進行調(diào)平，每個支撐點的調(diào)平速度必須滿足
其中
為調(diào)平速度，調(diào)平速度曲線為柔性運動控制曲線。
2.如權(quán)利要求1所述的基于圓柱形模型的平臺調(diào)平裝置，其特征在于所述的不透光液體，根據(jù)動態(tài)檢測需求選擇不透光液體的粘度，對于在垂直方向存在作用力的情況，采用粘度系數(shù)高的不透光液體；對于高動態(tài)檢測水平狀態(tài)情況，采用粘度系數(shù)低的不透光液體；對不透光液體，選擇能很好吸收光的、沒有腐蝕性、對溫度不敏感、滿足粘度范圍的液體能作為不透光液體。
3.如權(quán)利要求1或2所述的基于圓柱形模型的平臺調(diào)平裝置，其特征在于所述的微處理器還包括；
圖像獲取單元，用于讀取從攝像頭來的視頻數(shù)據(jù)，主要包括系統(tǒng)初始化模塊和圖像讀取模塊；
系統(tǒng)初始化模塊，用于讀取存儲在所述的系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲單元中的一些系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如透明圓錐體容器的半徑R、透明圓錐體容器的圓錐角α、初始方位角β0、攝像頭的分辨率、傾斜角θ與透光部分的寬度值δ的計算表等數(shù)據(jù)；初始方位角β0的確定是根據(jù)圓柱型的外壁上的直線與所獲得的視頻圖像的X軸方向之間的夾角；
圖像讀取模塊，用于讀取從攝像頭來的視頻數(shù)據(jù)，并將其保存在動態(tài)存儲單元內(nèi)；
傾斜角與傾斜方位角檢測單元，用于檢測和計算被測物體的傾斜角θ與傾斜方位角β，主要包括傾斜方位角β檢測模塊、傾斜角θ檢測模塊和傾斜角θ和傾斜方位角β變化率計算模塊；
傾斜方位角β檢測模塊，用于檢測被測物體的傾斜方位；本發(fā)明中傾斜方位角的定義是從正北方向開始以順時針方向用β角度值進行表示，在圖像平面上的檢測傾斜方位角是從X軸開始以順時針方向用βc角度值進行表示，如圖3所示；因此在傾斜方位角β與檢測傾斜方位角βc之間存在著以下關(guān)系，如式(1)所示，
β＝βc+β0(1)
式中β為傾斜方位角，βc為檢測傾斜方位角，β0為初始方位角；
初始方位角β0在全方位傾斜傳感器出廠檢測時根據(jù)圓柱型的外壁上的直線與所獲得的視頻圖像的X軸方向之間的夾角來確定，并寫入到系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲單元中；
檢測傾斜方位角βc是依據(jù)所獲得圖像中的透射光部分的幾何形狀來計算確定的，檢測傾斜方位角是從X軸開始以順時針方向用βc角度值進行表示；在被測物體發(fā)生傾斜狀態(tài)時在透明圓錐體容器中的不透光液體在圖像平面上的形狀為半個園與半個橢圓的組合，橢圓的長軸等于園的半徑，傾斜角與橢圓的短軸成函數(shù)關(guān)系，成像平面上的橢圓的短軸數(shù)據(jù)越小表明傾斜角度越大，而傾斜方位角則發(fā)生在橢圓短軸的正方向；這時在成像平面上將會出現(xiàn)月牙型的感光區(qū)域，橢圓短軸的角度位置必定會出現(xiàn)月牙型的中部，從成像圖像上計算橢圓短軸的角度位置的計算方法如公式(2)所示，即從X軸開始以順時針方向進行檢索，具體算法如下
步驟1從X軸方向上引一條直線以圖像的圓心為中心為直線順時針旋轉(zhuǎn)方向檢索，如果在X軸方向上沒有光亮像素的話，就從X軸開始以圖像的圓心為中心為直線順時針旋轉(zhuǎn)方向檢索，反之跳轉(zhuǎn)到步驟3，如果旋轉(zhuǎn)直線遇到的圓形外圈的像素是光亮像素，就確定為該旋轉(zhuǎn)直線與X軸方向的夾角為β1；
步驟2接著用旋轉(zhuǎn)直線繼續(xù)以圖像的圓心為中心為直線順時針旋轉(zhuǎn)方向檢索，如果旋轉(zhuǎn)直線遇到的圓形外圈的像素是非光亮像素，前一個光亮像素的旋轉(zhuǎn)直線與X軸方向的夾角為β2；然后跳轉(zhuǎn)到步驟5，
步驟3接著用旋轉(zhuǎn)直線繼續(xù)以圖像的圓心為中心為直線順時針旋轉(zhuǎn)方向檢索，如果旋轉(zhuǎn)直線遇到的圓形外圈的像素是非光亮像素，前一個光亮像素的旋轉(zhuǎn)直線與X軸方向的夾角為β2；
步驟4接著用旋轉(zhuǎn)直線繼續(xù)以圖像的圓心為中心為直線逆時針旋轉(zhuǎn)方向檢索，如果旋轉(zhuǎn)直線遇到的圓形外圈的像素是非光亮像素，前一個光亮像素的旋轉(zhuǎn)直線與X軸方向的夾角為β1；
步驟5通過公式(2)計算橢圓短軸的角度βc，
βc＝(β1+β2)/2 (2)
而檢測傾斜方位角βc必定出現(xiàn)在橢圓短軸的方向；
傾斜角θ檢測模塊，用于檢測被測物體的傾斜角；如圖2和圖5所示，傾斜角θ可以通過公式(3)計算得到
上式中，R為透明圓錐體容器的半徑，α為透明圓錐體容器的圓錐角，δ為透光的月牙型的中部的寬度值，θ為傾斜角；
所述的傾斜角θ檢測模塊，用于檢測被測物體的傾斜角；傾斜角θ可以通過公式(4)計算得到
上式中，R為透明圓錐體容器的半徑，α為透明圓錐體容器的圓錐角，δ為透光的月牙型的中部的寬度值，θ為傾斜角；
這里，透明圓錐體容器的半徑R和透明圓錐體容器的圓錐角α從存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲單元中的系統(tǒng)數(shù)據(jù)中得到的，透光的月牙型的中部的寬度值δ是通過對圖像的分析算法得到的，即通過成像圖形中心點為放射線進行順時針掃描，獲得在軸心線方向上的最大透光值，具體算法如下
根據(jù)公式(2)所得到的橢圓短軸的角度βc和圖像的圓心為中心為直線穿越透光的月牙型，計算其透光的像素值；如果攝像頭的分辨率為640×480、透明圓錐體容器的半徑R為200mm、每個像素代表0.83mm，如果計算得到的透光像素值為5個像素，那么透光的月牙型的中部的寬度值δ為4.15mm；
傾斜角θ的分辨率與透明圓錐體容器的半徑R和透明圓錐體容器的圓錐角α相關(guān)，根據(jù)公式(4)透明圓錐體容器的半徑R越大傾斜角θ的分辨率越高，透明圓錐體容器的圓錐角α與傾斜角θ的分辨率成函數(shù)關(guān)系；一般來說，透明圓錐體容器的半徑R是由攝像頭的視覺范圍確定，透明圓錐體容器的半徑R為200mm，在成像平面上占240個像素；透明圓錐體容器的圓錐角α要根據(jù)實際水平測量范圍來選擇，對于小的傾斜角θ具有較高的分辨率；根據(jù)實際檢測精度的需要選擇或者設(shè)計透明圓錐體容器的圓錐角α。
4.如權(quán)利要求1或2所述的基于圓柱形模型的平臺調(diào)平裝置，其特征在于所述的微處理器還包括調(diào)平前的準備子模塊，用于預(yù)先設(shè)置平臺支撐點的結(jié)構(gòu)參數(shù)、調(diào)平的策略和支撐點移動速度的模式，具體步驟如下；
在公式(6)和公式(7)中都使用到了某一支撐點與圓柱體模型中心軸的距離Rx、X軸與某一支撐點和圓柱體模型中心軸的連線的夾角βxc這兩組平臺支撐點的結(jié)構(gòu)參數(shù)，這兩組參數(shù)必須平臺調(diào)平使用前預(yù)置好；為了不失一般性，本發(fā)明中采用6支撐點平臺來說明通過計算獲得兩組6支撐點的結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法；
步驟1)確定平臺的中心點這里首先要確定平臺的中心點O、約定支撐點的命名方式，確定平臺的中心點O點在矩形平面的中心；
步驟2)命名各支撐點以順時針方向依次約定6個支撐點A、B、C、D、E、F；
步驟3)建立坐標系定義O點與A點的連線為X軸方向；
步驟4)建立圓柱體模型主要完成兩個任務(wù)，第一是計算O點與6個支撐點A、B、C、D、E、F之間的長度，得到支撐點與圓柱體模型中心軸的距離Rx，通過矩形邊的寬度W和高度H以及勾股定理計算得到各支撐點與圓柱體模型中心軸的距離Rx，將最短的距離Rx作為圓柱體模型的半徑R；
第二是得到各支撐點的方位信息；需要計算X軸與各支撐點和圓柱體模型中心軸連線的夾角βxc，βxc角與各支撐點位置分布有關(guān)，同時也與全方位傾斜傳感器的坐標系和平臺的坐標系相關(guān)，在全方位傾斜傳感器的坐標系中定義了Xs表示全方位傾斜傳感器的X軸；在平臺的坐標系中定義了X表示平臺的X軸，因此只要兩個X軸線完全吻合且均以順時針方向計算傾斜方位角，則平臺的測量傾斜方位角就與全方位傾斜傳感器的測量傾斜方位角完全一致，這樣就在平臺水平的傳感檢測和控制上建立了統(tǒng)一的參照系；
進一步，以平臺中心O點與支撐點A點的連線為X軸方向，從順時針方向計算各支撐點與X軸的夾角βxc，各支撐點與X軸的夾角βxc計算如公式(9)所示，
用表1來歸納各支撐點與圓柱體模型中心軸的距離Rx、X軸與各支撐點和圓柱體模型中心軸的連線的夾角βxc這兩組平臺支撐點的結(jié)構(gòu)參數(shù)計算結(jié)果；這些結(jié)構(gòu)參數(shù)最終存放在系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)存儲單元內(nèi)；
βA1c＝0
βB1c＝2×tan-1(H/W)
βC1c＝2×tan-1(H/W)+tan-1(W/H)
βD1c＝2×tan-1(H/W)+2×tan-1(W/H) (9)
βE1c＝4×tan-1(H/W)+2×tan-1(W/H)
βF1c＝4×tan-1(H/W)+3×tan-1(W/H)
表1平臺支撐點的結(jié)構(gòu)參數(shù)
步驟5)確定調(diào)平的策略用戶可以通過人機界面選擇圓柱體“最高點”調(diào)平算法、圓柱體“最低點”調(diào)平算法、圓柱體“中間點”調(diào)平算法和“基準點”調(diào)平算法中的任何一種平臺調(diào)平策略，其中如果用戶選擇了“基準點”調(diào)平算法，首先要求用戶選擇①先調(diào)平后對準②先對準后調(diào)平，缺省的選擇為①先調(diào)平后對準，接著要求用戶輸入“基準點”的具體數(shù)據(jù)，作為平臺的控制高度值zc；另外還要求用戶輸入平臺的調(diào)平精度值Pv，如Pv＝0.1°，平臺初始高度值zo，這些輸入結(jié)果保存在系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)存儲單元內(nèi)；
步驟6)確定各支撐點移動速度的模式為了使得平臺在平移或調(diào)平過程中平穩(wěn)、快速地調(diào)整到設(shè)定的水平位置，同時必須各支撐點能均勻受力，預(yù)置了各支撐點移動速度模式，屬于一種正弦曲線；具體的參數(shù)需要與支撐點的位置伺服控制參數(shù)來確定，用戶可以通過位置伺服控制生產(chǎn)廠商所提供的數(shù)據(jù)輸入最大移動速度等技術(shù)參數(shù)，最終確定平臺最大能力調(diào)平速度
(dθ/dt)ab和
的控制曲線形式；為了便于數(shù)字控制，采用n等分(n為偶數(shù))將這些控制曲線進行離散化，并將其以數(shù)表形式動態(tài)存放于系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)存儲單元內(nèi)的加、減速曲線庫中，其中加速曲線數(shù)據(jù)存放在0～n/2數(shù)據(jù)單元中，減速曲線數(shù)據(jù)存放在n/2+1～n數(shù)據(jù)單元中；n的取值越大離散化后的速度控制曲線越接近于連續(xù)速度控制曲線，本發(fā)明中建議n的取值在200以上，并為偶數(shù)。
5.如權(quán)利要求4所述的基于圓柱形模型的平臺調(diào)平裝置，其特征在于所述的平臺的調(diào)平控制，用于將平臺調(diào)平并對準到某一目標高度；
平臺的調(diào)平控制是根據(jù)全方位傾斜傳感器的測量結(jié)果，即平臺傾斜角θ和測量傾斜方位角βc，根據(jù)調(diào)平前的準備子模塊中輸入的數(shù)據(jù)和調(diào)平控制策略，以公式(6)為各支撐點的位置伺服控制目標，以公式(7)為各支撐點的位置伺服中的速度控制要求，以實現(xiàn)在平臺的調(diào)平過程中各支撐點均勻受力協(xié)同快速完成平臺的調(diào)平任務(wù)，調(diào)平控制的步驟如下
步驟1讀取全方位傾斜傳感器的平臺傾斜角θ和測量傾斜方位角βc，如果平臺傾斜角θ大于Pv，就進入步驟2，否則繼續(xù)重復步驟1；
步驟2計算各支撐點的計算傾斜方位角Rx，讀取表1中X軸與各支撐點和圓柱體模型中心軸連線的夾角βxc，然后根據(jù)全方位傾斜傳感器的測量傾斜方位角βc，利用公式(8)計算各支撐點的計算傾斜方位角Rx，
步驟3計算平臺的調(diào)平范圍比δ，如果用戶在人機界面上選擇了“基準點”調(diào)平算法，用公式(10)計算平臺的調(diào)平范圍比δ；
如果用戶選擇了“最高點”調(diào)平方案，δ＝1；如果用戶選擇了“最低點”調(diào)平方案，δ＝-1；如果用戶選擇了“中間點”調(diào)平方案，δ＝0；
步驟4確定調(diào)平偏差和調(diào)平速率，首先利用公式(11)計算在圓柱體模型中傾斜平臺最高點與最低點投影在Z軸上的距離Δ，
Δ＝2R×sinθ0(11)
接著，根據(jù)平臺需要調(diào)平的傾斜角θ和平移的距離(zc-zo+Δ)以及存儲在系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)存儲單元內(nèi)的加、減速曲線庫中的被離散化的平臺最大能力調(diào)平速度
(dθ/dt)ab和
的控制曲線生成實際控制調(diào)平速率
dθ/dt和對準速率
曲線，以下用dθ/dt的生成來說明算法的實現(xiàn)；
變量t從1～n/2循環(huán)，讀取變量t所對應(yīng)的(dθ/dt)ab中的數(shù)據(jù)(dθ/dt)ab(t)，然后用(15)計算累加值；
將t值和(dθ/dt)ab(t)值依次保存在動態(tài)存儲單元內(nèi)；
接著判斷∏≥θ/2，如果滿足條件，變量t1從(n-t)～n循環(huán)，讀取變量t1所對應(yīng)的(dθ/dt)ab中的數(shù)據(jù)(dθ/dt)ab(t)，將變量t值遞增，即t＝t+1，然后將t值和(dθ/dt)ab(t)值依次保存在動態(tài)存儲單元內(nèi)，程序結(jié)束；
將變量t2＝0，用do…while語句進行循環(huán)控制，接著用公式(16)計算累加值和變量t2的值；
t2＝t2+1
(16)
將(t+t2)值和(dθ/dt)ab(n/2)值依次保存在動態(tài)存儲單元內(nèi)；
接著判斷∏≥θ/2，如果滿足條件，將t2值賦值給變量t3，用循環(huán)語句for從0～t3進行循環(huán)控制，
t2＝t2+1(17)
將(t+t2)值和(dθ/dt)ab(n/2)值依次保存在動態(tài)存儲單元內(nèi)；
變量t從(n+1)/2～n循環(huán)，讀取變量t所對應(yīng)的(dθ/dt)ab中的數(shù)據(jù)(dθ/dt)ab(t)，將(t+t2)值和(dθ/dt)ab(n/2)值依次保存在動態(tài)存儲單元內(nèi)；
步驟5計算各支撐點的位移和移動速度，如果用戶在人機界面上選擇了“基準點”調(diào)平算法，并且平臺的調(diào)平范圍比δ＞1時，采用公式(12)計算各支撐點的位移和移動速度；
zx＝Rx×sinθ×[cos(βx/R)+1]+(zc-zo-Δ)
如果用戶在人機界面上選擇了“基準點”調(diào)平算法，并且平臺的調(diào)平范圍比δ＜-1時，采用公式(13)計算各支撐點的位移和移動速度；
zx＝Rx×sinθ×[cos(βx/R)-1]+(zc-zo-Δ) (13)
如果用戶在人機界面上選擇了除了“基準點”以外的調(diào)平算法，采用公式(14)計算各支撐點的位移和移動速度；
zx＝Rx×sinθ×[cos(βx/R)+δ] (14)。
dzx/dt＝Rx×cosθ×[cos(βx/R)+δ]dθ/dt
6.如權(quán)利要求1或2所述的基于圓柱形模型的平臺調(diào)平裝置，其特征在于所述的微處理器還包括平臺支撐腳位置伺服控制模塊，通過輸出接口將在所述的平臺支撐腳位置誤差計算模塊中所計算得到的各支撐點的位移量和位移速度等轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制電信號并輸入到平臺支撐腳位置伺服控制驅(qū)動單元，平臺支撐腳位置伺服控制驅(qū)動單元驅(qū)動平臺支撐腳位置伺服控制動作單元完成相應(yīng)的調(diào)平動作；位置伺服控制采用機電位置伺服來實現(xiàn)。
7.如權(quán)利要求1或2所述的基于圓柱形模型的平臺調(diào)平裝置，其特征在于所述的微處理器還包括平臺支撐腳位置伺服控制模塊，通過輸出接口將在所述的平臺支撐腳位置誤差計算模塊中所計算得到的各支撐點的位移量和位移速度等轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制電信號并輸入到平臺支撐腳位置伺服控制驅(qū)動單元，平臺支撐腳位置伺服控制驅(qū)動單元驅(qū)動平臺支撐腳位置伺服控制動作單元完成相應(yīng)的調(diào)平動作；伺服控制采用電液位置伺服來實現(xiàn)。
全文摘要
一種基于圓柱形模型的平臺調(diào)平裝置，包括全方位傾斜傳感器外殼、LED照明光源、透明圓錐體容器、不透光液體、攝像頭、嵌入式系統(tǒng)、電源和指南針，平臺、平臺支撐腳位置伺服控制動作單元和平臺支撐腳位置伺服控制驅(qū)動單元，透明圓錐體容器是由兩個同樣大小的圓錐體以背靠背的方式結(jié)合成一個封閉容器，容器中注入了容器體積的二分之一不透光液體；對攝像頭以正面體拍攝透明圓錐體容器的透光部分進行分析、判斷和計算，得到被測平臺的傾斜角度和傾斜方位角等測量參數(shù)，通過測量參數(shù)根據(jù)不同的調(diào)平策略對非正規(guī)排列的多支撐腳平臺進行水平自動調(diào)整；本發(fā)明可操作性好、測量精度高、穩(wěn)定性好、適用性強、制造成本低、實時性和安全可靠性強。
文檔編號G01C9/00GK101825461SQ20101010977
公開日2010年9月8日 申請日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月10日
發(fā)明者湯一平, 湯曉燕, 王穎, 仇翔, 俞立, 宋鉷 申請人:浙江工業(yè)大學