MEMS加速度传感器的自动校准平台
将电机轴设计为中空的螺母式结构，支脚就是旋人其中的螺杆。平台的支撑架由两部分组成：电机和台面构成的整体、旋在电机轴内的螺杆。螺母及其相连的内筒固定不动而螺杆旋转，带动电机以及上面的平台一起作直线运动。这种螺旋传动的方式将旋转运动转化为直线运动，从而实现平台的升降，并且能在任何高度自锁。
如图4所示，单片机收到加速度传感器送来的倾角信息后，在实时显示的同时按照预先设定的控制算法，控制步进电机的转动。电机轴的正反转动转化为支撑轴的上升和下降，从而实现对倾斜平面的调平。
3．3 系统软件设计
自动校准平台的程序流程如图5所示，其中最主要的部分是角度信号的采集、数据的进一步处理以及电机的自动控制。信号采集环节主要是完成传感器与单片机之间的I2C串口通信；数据处理环节包括正负角度值修正、传感器输出的线性化处理以及软件滤波；电机控制环节包括快慢档调节、零点锁定和PID控制。
其中，电机控制与平台调平直接相关。系统根据检测到的倾角大小，在不同的倾角范围采取不同的调平速度和调平精度。倾角较大时调平精度较粗，电机一次转动的步数较多，支撑轴的伸出速度越快，调平速度就越快；倾角小于低速阈值时，电机转动频率降低，支撑轴的伸出速度变慢，使平台形变和支腿伸出速度过快所带来的不良影响得以减小，从而在整体上兼顾了调平速度和调平精度。
从实际应用出发，考虑到当基座调平完成后，平台上的设备便开始工作，如果该设备在运行过程中产生振动，则必然导致基座不稳定。若不加任何防范措施，其结果就是平台上设备工作的同时基座继续调平，这对于设备的正常运行是非常不利的。特别当其应用于吊车、火炮等有较高稳定性要求的调平场合时，上述情况是非常危险的。因此，在原先的基础上增设了调平完成后的自锁定功能，以及手动解锁按钮。
整个调平过程是一个离散化的动态趋近过程。在系统跟踪倾角状态的每个周期，平台都逐步逼近水平位置，直至与水平面的差别小于停机阈值。此时电机停转，平台锁定，系统默认一次校准任务完成。在下一次基座调平任务来临之前，需要手动操作解锁按钮，以唤醒系统工作。从系统动态调平的思想中可以看出，两台电机的摆放位置并不是固定的，只要3个支撑点不共线，平台就可以实现自动调平。
为使系统更加稳定、准确的完成调平工作，采用了基于PID的反馈控制算法。传统的PID控制结构如图6所示，虚线框内是PID控制器，R(s)为输入量，C(s)表示复杂系统输出，B(s)是反馈量，控制偏差信号E(s)=R(s)-B(s)，G。(s)表示被控过程，D(s)为外界干扰，N(s)是传感器噪声。
其中，Kp、Tp、Td分别为比例、积分、微分环节的系数，uo为初始状态。
但是，系统输入环节中存在大量的脉冲信号，取一小段时间片来看，可以认为有大量阶跃信号。由于在PID控制环节存在导数项，使得输出信号中包含冲击函数，而输出突变对于系统控制性能的影响是不容忽视的。为了解决输出突变导致系统控制性能下降的问题，在前向通路中仅保留积分环节，而把比例和微分环节移入反馈通路中，其结构框图如图7所示。由于输入信号仅出现在积分控制环节中，PID控制器的输出突变问题得以解决。
图7中的控制器输出信号U(s)可表示为：
为了便于计算机采样，对上式进行离散化处理，采样周期为T，采样序列编号从0到N，积分变成求和，微分变为增量，从而有以下PID控制模型：
4 抗干扰设计
考虑到现场电器设备的启动和关闭而产生的电磁干扰、热源的影响以及平台的振动，必须对校准平台进行抗干扰设计。
4．1 硬件抗干扰
如图3所示，在电源与地之间并联0．1μF的滤波电容，以抑制开关电源的噪声。传感器金属外壳接地，同时其下方的电路板作覆铜处理，以抑制电磁干扰。为了避免外界对传感器内部热场的扰动，电机、驱动器、电源电路等可能的热源都设计安放在距离传感器较远的区域。支承轴下端安装减震垫来削弱调平过程中平台振动对传感器的影响。
4．2 软件抗干扰
对信号进行低通滤波，降低系统带宽，能够降低传感器输出噪声，提高系统的信噪比。同时采用冒泡法对一次性接收到的11组数据进行排序，取中间的5组数据再做滑动平均，可以有效抑制随机噪声。针对平台振动对传感器的干扰，电机在单次基座调整后延时一段时间再进行下一次转动。
5 实验与分析
通过模拟各种倾斜姿态，对校准平台的性能进行了测试。当平台倾角较大时，根据先前设定的控制算法，为使基座尽快达到水平，电机快速转动，系统开始粗调，此时平台出现短时间颤动。特别是当电机每次转动超过30步时，现象较为明显，导致显示器中的倾角读数小幅跳变。修改电机控制程序使其每次最大转动的步数不超过10步，并且间隔时间略微延长，振动现象得以缓解。当倾角小于5°后，系统自动切换到细调模式，电机转速下降，平台稳定无振动，直至到达水平位置后系统锁定。表2中列举了不同倾角下的调平时间，可以看出，当平台倾角小于20°时，系统调平时间不超过40 s。