基于MCU控制的自動平衡吊具

1 吊具機械結構及原理簡述

為進行快速的裝配體設計，吊具機械結構使用Solid Works進行裝配體建模，各部分的配置及結構如圖1所示。

吊具本身由機架(兼做y向導軌)、y向電機、y向絲杠、中間滑板組件(含x向導軌)、x向電機、x向絲杠、吊耳組件(4個)、手輪(4個)、吊環組件、吊索等部分組成。

傾斜傳感器安裝在機架上，傳感器的工作方向分別與吊具的x、y方向平行，系統上電后，系統控制器讀取傾斜傳感器測出的機架傾斜數據(傳感器的俯仰角和橫滾角的數據分別代表吊具在x、y向的機架傾斜狀況)，當測出的數據需要吊索沿x方向移動時，系統控制器根據吊索的當前位置和需要的位移量，計算出對應的速度和方向的控制信號，x向電機驅動電路根據系統控制器輸出的控制信號，以合適的電機軸旋轉方向和轉速啟動x向電機運轉，電機旋轉x向絲杠帶動吊環組件完成指定幅度的移動；當需要吊索沿y方向移動時，y向電機驅動電路根據系統控制器輸出的控制信號以合適的電機軸旋轉方向和合適的轉速啟動y向電機，電機旋轉y向絲杠帶動中間滑板組件完成指定幅度的移動。

在吊具運行狀態下，x，y向的控制過程是同時且連續進行的，直至吊具調平。
轉動手輪，可以帶動小絲杠調節滑塊在x軸方向上的位置，以適應不同大小的被吊件。

2 控制系統概述

系統結構如圖2所示，這里把整個系統按照檢測、控制、通信、執行的順序劃分成四大塊，各部分的工作如下：

檢測部分：主要包括傾角和接近傳感器等硬件。其中前者用于獲得吊具的俯仰角和橫滾角并傳送給SP2539的子串口，為下位機判斷電機轉動方向，計算移動行程提供依據。后者分為軟件停機傳感器組和機械斷電傳感器組，采用雙重制動策略，保障吊具在使用過程中平穩調平和安全使用。

控制部分：單片機嵌入式系統是控制機構的核心部件，首先接收檢測部分的輸出值，包括吊具的實時姿態、軟件停機傳感器組狀態，同時調用子程序，處理輸入信號并給出動作信號給1、2號變頻器，使x，y向電機遵循指令進行動作。最后，單片機還需要和上位機設備進行交流，方便操作人員隨時掌握系統的狀態。

通信部分：這部分解決單片機分別與檢測機構、上位機以及執行機構的信息傳輸。具體的講，主要是指單片機與傾角和接近傳感器、上位機調平控制指令、1、2號變頻器輸出頻率、角度顯示以及SP2539串口擴展系統之間的信息傳輸。