自平衡激光水平仪的设计与实现

邵阳学院信息工程学院 向延辉 江世明 米灵勇

激光水平仪是一种新型的激光类小型测绘测量仪器，放置在某个点，就能在墙面投射出相互垂直的水平直线和垂直线，起到标定基准线的作用。传统的激光水平仪，是通过人为调节，使水平方向与水平面平行，垂直方向达到铅垂。由于不同人的视角存在差异，因此传统的激光水平仪不可避免存在人为误差。针对传统激光水平仪存在人为调节误差，提出了自平衡的激光水平仪方案，并对方案进行了说明。文章详细介绍了角度检测电路、自平衡调节电路、激光控制电路设计。在20°度范围内，对实物进行了测试，测试的结果表明，该水平仪测量误差为3.29mm，满足普通水平测量需要，作为标定基准线使用，该产品具有智能化程度高，造价低等特点。

1 自平衡激光水平仪结构原理

自平衡激光水平仪，系统组成如图1所示。角度传感器采用MPU-6050，CPU用STM32，步进电机用28BYJ-48，显示器采用OLE串行显示屏。系统在程序控制下，读取角度传感器的值，通过计算得到步进电机的调整值，控制步进电机达到系统自平衡。

图1 系统组成框图

光水平仪的结构如图2所示，1、2是水平调节装置，3是固定支架。在水平面上，安装有传感器，控制器及激光发射器。控制器不断读取传感器数据，数据经处理后得到步进电机的调节值，通过控制图3的调节装置（图2中的1、2），从而达到水平。

图2 自平衡激光水平仪结构

图3 水平调节装置

2 自平衡激光水平仪设计

2.1 角度检测

角度检测用MPU-6050传感器，其主要技术参数如下：

供电电源：DC3.3V/5V；

通信方式：IIC，通信速度400KHz(Max)；

ADC位数：16位；

角度检测电路如图5所示。

图4 激光投射

图5 角度检测电路

STM32的PA7、PA6与角度传感器MPU6050相连，STM32与MPU6050之间，通过IIC总线，实现对MPU6050的系统初始化配置。

unsigned char MPU_Read_Len(u8 addr,u8 reg,u8 len,u8 *buf)是IIC连续读取函数。

Addr：器件地址；

reg：要读取的寄存器地址；

len：要读取的长度；

buf：读取到的数据的存储区。

STM32通过函数向IIC总线上发送MPU6050器件地址（0x68）+写命令；写入陀螺仪数据输出寄存器地址（0X43~0X48）+读命令；通过IIC读取陀螺仪数据寄存器的值。陀螺仪有6个数据寄存器，读取6个寄存器的值，就可以读到陀螺仪X、Y、Z轴的值。

unsigned char MPU_Write_Len(u8 addr,u8 reg,u8 len,u8 *buf)是IIC连续写入函数，用法与IIC连续读函数类似，用于初始化时对MPU6050进行配置。

将得到的原始数据，利用MPU6050自带的数字运动处理器DMP，和InvenSense提供的嵌入式运动驱动库，结合MPU6050提供的固件库，得到俯仰角pitch、滚转角roll和偏航角yaw，实现程序如下：

2.2 自平衡调节

2.2.1 步进电机控制电路

激光水平仪的自平衡是通过对步进电机控制来实现的，步进电机控制电路如图6所示。

图6 步进电机控制电路

步进电机选用28BYJ-48，其主要技术参数是：①相数：四相；

②驱动方式：1-2相励磁单极驱动；

③步距角：11.25/64（输出轴），减速比1/64；④电压：5VDC(电机端子)；

图3中，套筒内螺纹采用M10*1.5内螺纹，因此，步进电机升降高度L，与脉冲数的关系为：脉冲数=(L/1.5)*360/(11.25/64)=(L/1.5)*2048。

2.2.2 步进电机控制

3 系统调试

根据国标GB/T 20920-2007，用惠利水准仪，在20°范围内，对系统进行测试。观察到，水平仪在X、Y、Z三个方向，在20°范围内，无论怎么放置，系统都能自动达到水平。在20°范围内，分别对X、Y、Z三个方向，对平衡度进行测试，测试结果如表1所示。

表1 X、Y、Z三个位置平衡能力测试结果（20°以内）

水平仪平衡误差=(X误差+Y误差+Z误差)/3=(2.98+3.3+3.61)/3=3.29mm。

对照国家标准（GBT10156-2009）：1km往反偏误0.2-0.5mm（高精密）；1mm（精密）；1.5-4(普通)，本水平仪能满足普通水平测试需要。

针对传统激光水平仪存在的问题，设计了自平衡激光水平仪。从样机测试看，该水平仪在0-20°范围内，能自动平衡，平衡误差为：3.29mm，满足普通水平测量需要。该水平仪用于基建行业，作为普通标定基准线使用。