1南四湖局上级湖水利管理局 山东济宁 272000；
2淮委沂沭泗水利管理局 江苏徐州 221018
摘要：本文研究了一种自动调节水平位置的水准尺，在工程实践水准测量过程中，测控单元中的传感器精确测量水准尺的垂直情况，将测量得到的空间角度通过传送系统传送到MCU进行判断，MCU计算得到的数据，发送到运动控制器，运动控制器调节三根并联推杆的长度，以实现尺身垂直于地面。本实用新型通过传感和控制系统，增强了水准尺垂直的精确度，保证立尺垂直，减小测量误差，同时也使得操作更加简单。
关键词：并联机构；水平位置；水准尺
序言
水准测量所使用的仪器为水准仪，水准尺是与之配套的标尺。水准尺是用干燥优质的木材、铝合金或玻璃钢等材料制成，长度有2m，3m，5m 等。水准尺是否垂直对测量精确度比较重要。关于水准尺的研究，多从其精确性，携带方便，操作简单等方面进行，例如旋转尺垫，在水准尺的下端加一个灵活的旋转尺垫；为确保垂直，在水准尺上加一可拆卸的水准管等。常用的水准尺多用人工来整平，人工整平造成避免不了的误差，影响测量成果的精度；另外，对于是否已垂直，立尺者根据自己的视线确定，站的位置不同，看到的结果就存在偏差，不一定正确。而且，扶尺子的技术人员的劳动强度较大，需在一定时间内保持水准尺的垂直。如果有一种能够自动整平，并且用仪器科学检验是否垂直，误差减小，精度会有很大提高，而且观测技术人员的劳动强度也能够大大减轻。
本文研究了一种基于并联机构的自动调节水平位置的水准尺，克服了现有技术中的不足，提供了一种可以自动整平的水准尺，确保水准尺处于垂直状态，减小测量误差，减轻观测人员劳动强度。
1 总体方案
为了解决上述技术问题，本文研究的水准尺基于并联机构，能够自动调节水平位置，其总体方案简图如图1所示，其中包括：尺身1，自动调节水平位置的水准尺还包括测控单元2，测控单元2安装在尺身1上部，尺身1上还设计有接板3，接板3外边缘设计有电动推杆4，尺身1下方设计有测量目标点5，所述的电动推杆4下方设计有推杆支点6。
图1 总体方案
2 控制系统设计
本文研究水准尺的测控单元包括传感器、MCU、运动控制器，传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度仪，运动控制器与所述的电动推杆连接。控制系统整体方案如图2所示。
图2 控制系统整体方案
在测量过程中，测控单元中的传感器精确测量水准尺的垂直情况，将测量得到的空间角度通过传送系统传送到MCU进行判断，MCU计算得到的数据，发送到运动控制器，运动控制器调节三根并联推杆的长度，以实现尺身垂直于地面。测控单元中，三轴陀螺仪陀螺仪只能用于运动物体的角度测量，如果物体的初始位置存在一定的倾角，则三轴陀螺仪无法感知。三轴加速度仪能够测量物体的加速度，当加速度计静止时，其输出为重力加速度在各个轴上的分量，装有三轴加速度仪的物体的倾角发生变化时，三轴加速度仪的输出也会随之变化，根据这一原理，通过测量三轴加速度仪各轴的输出便可以得出物体的倾角。对于静止物体而言，加速度计测量出来的角度十分准确。但是，一旦物体运动，会在加速度计相应的敏感轴引入除重力以外的加速度。
利用三轴陀螺仪和三轴加速度仪的互补性，将信号融合后输送给MCU，MCU根据测量得到的空间角度，解析三自由度的并联机构，计算得到的电动推杆需要调整的长度，发送到运动控制器，运动控制器在收到指令后，调节各电动推杆的长度，并反馈给MCU。
3 核心电路设计
本研究选用C8051F340作为MCU、三轴加速度仪传感器选用MMA7361、三轴陀螺仪传感器选用FXAS21002，其接口电路如图3所示。
图3 核心部分电路图
图4 是本实用新型的软件程序流程图。
4 软件流程设计
本系统的软件流程如图4所示，首先放置好水准尺，然后开始检测水准尺位置，分别读取三轴陀螺仪和三轴加速度仪，利用MCU计算水准尺空间角度，当检测到没有垂直于地面时，MCU通过串口发送计算数据给运动控制器，运动控制器调节三根并联推杆的长度，调节完成后再次进行检测，直至水准尺整平。
5 结论
本文研究的基于并联机构的自动调节水平位置的水准尺，通过传感和控制系统，增强了水准尺垂直的精确度，保证立尺垂直，减小测量误差，同时也使得操作更加简单。普通工程技术人员经过简单培训就可掌握操作方法，具有较高的实用价值。
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论文作者:盛秋实1,王瑶2
论文发表刊物:《防护工程》2018年第35期
论文发表时间:2019/3/26
标签：水准论文; 测量论文; 推杆论文; 陀螺仪论文; 加速度论文; 控制器论文; 位置论文; 《防护工程》2018年第35期论文;