論文懸掛運(yùn)動控制系統(tǒng)

1、懸掛運(yùn)動控制系統(tǒng)作者：李巖 沈志 張海寧賽前輔導(dǎo)及文稿整理輔導(dǎo)教師：尹仕摘要：本系統(tǒng)采用spce061a單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，通過光電編碼盤實(shí)現(xiàn)對懸掛物位置的精確測量，并引入局部閉環(huán)反饋控制環(huán)節(jié)對誤差進(jìn)行修正。在尋跡過程中，采用無線數(shù)傳通訊的反饋方式替代了有線連接的反饋方式，避免了線纜牽引帶來的控制誤差。系統(tǒng)采用點(diǎn)陣液晶和觸摸控制屏實(shí)現(xiàn)了友善方便的人機(jī)交互界面。abstract: this system adopts the spce061a as the kernel of the control system. the system measures the position of t

2、he suspender through the photoelectric encoder and the position is been modified by the local feedback. during the seeking mark process, it makes use of the wireless data transmission feedback instead of the lineate feedback to avoid the system control error which brought by the line. the system use

3、s a lcd and a touch screen realizes a friendly and conveniently hmi (human machine interface). 一、方案論證與比較1系統(tǒng)基本方案本系統(tǒng)主要由主控制模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、檢測反饋環(huán)節(jié)和懸掛模塊四部分組成，實(shí)現(xiàn)了局部閉環(huán)的懸掛運(yùn)動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)總體框圖2各模塊方案選擇與論證(1) 位置測量方案的選擇方案一：采用位移傳感器實(shí)現(xiàn)對懸掛物的定位。受光電鼠標(biāo)原理的啟發(fā)，可采用位移傳感器，獲取懸掛物的坐標(biāo)偏移量，得到當(dāng)前位置x、y坐標(biāo)。此方案可以通過直接購買鼠標(biāo)成品作為懸掛物，從鼠標(biāo)接口取得當(dāng)

4、前位置量，定位精度高。但是它測量的相對坐標(biāo)，并非絕對，一旦掉幀，系統(tǒng)就無法校正；另一方面市場上的鼠標(biāo)多為usb接口，usb數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議較為復(fù)雜，限于比賽時(shí)間限制，實(shí)現(xiàn)較為困難。方案二：采用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對懸掛物的定位。由于步進(jìn)電機(jī)可對旋轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)精確控制，因此可得到懸掛線的精確角位移，從而可以計(jì)算出線位移，進(jìn)而可以計(jì)算得到懸掛物的位置，實(shí)現(xiàn)懸掛物定位。常用的兩相四線步進(jìn)電機(jī)和兩相六線步進(jìn)電機(jī)等，轉(zhuǎn)動一步精度可達(dá)到0.9，線位移誤差可以達(dá)到毫米級。但由于題目對懸掛物重量有一定要求，則需要步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩較大。而步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩越大，其在停止時(shí)的鎖死電流就越大，因此采用步進(jìn)電機(jī)對電源功耗要求很高。另外當(dāng)步進(jìn)

5、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率過高時(shí)，會出現(xiàn)失步等現(xiàn)象，影響控制精度。方案三：采用直流電機(jī)結(jié)合光電編碼盤實(shí)現(xiàn)對懸掛物的定位。此方案是將光電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移量，是工業(yè)控制中的常用方法。編碼盤轉(zhuǎn)軸與直流電機(jī)轉(zhuǎn)軸同軸相連，通過安裝在碼盤兩側(cè)的透射式紅外對管測得電機(jī)轉(zhuǎn)過的角位移。光電編碼盤示意圖如圖2所示。直流電機(jī)相對步進(jìn)電機(jī)成本低廉，容易采購，電機(jī)驅(qū)動電路簡單。相比之下步進(jìn)電機(jī)需配套使用相應(yīng)的時(shí)序脈沖產(chǎn)生電路，如常用的l297芯片等，這不僅增加控制系統(tǒng)的成本，也使硬件相對復(fù)雜。因此采用此方案簡便易行，成本低廉?；谝陨戏治觯x擇直流電機(jī)結(jié)合光電編碼盤的定位方案。(2) 任意軌跡探測方案的選擇方案一：采用ccd/c

6、mos光電成像傳感器，通過圖像識別得到懸掛物行走軌跡。實(shí)地拍攝坐標(biāo)紙圖像，由單片機(jī)處理后分析找出黑線延伸方向，控制懸掛物體沿黑線前進(jìn)。但此方案實(shí)現(xiàn)難度較大，短期內(nèi)無法完成。方案二：采用反射式紅外傳感器陣列，通過多個(gè)紅外頭的探測信號得到懸掛物行走軌跡。由于黑色物體和白色物體的反射系數(shù)不同，從而實(shí)現(xiàn)對黑白物體的分辨。將8個(gè)紅外對管組成一個(gè)環(huán)，圍繞在畫筆周圍，調(diào)整各傳感器之間的間距，可以探測出黑線任意延伸方向?？蓾M足題目的精度要求。傳感器陣列示意圖如圖3所示?；谝陨戏治?，選擇方案二。 圖2. 光電編碼盤示意圖 圖3. 紅外傳感器陣列示意圖 (3) 控制策略的選擇方案一：開環(huán)控制系統(tǒng)。通過對電機(jī)輸出

7、量的測量來實(shí)現(xiàn)距離量的測量。因開環(huán)控制不具有修正由于擾動而出現(xiàn)的的懸掛模塊實(shí)際走過的路程與計(jì)算輸出量的偏差，故抗干擾能力較差。方案二：局部閉環(huán)控制系統(tǒng)。在通過測算光電編碼盤的光電信號計(jì)算電機(jī)輸出量的同時(shí)，在線上加入反饋修正子模塊。在外壁不導(dǎo)電的漆包線上，每隔一定固定距離，刮掉一小段油漆露出導(dǎo)電芯，通過對導(dǎo)電芯的探測達(dá)到測量實(shí)際路程值的目的，構(gòu)成一個(gè)局部閉環(huán)控制系統(tǒng)。顯而易見，局部閉環(huán)控制系統(tǒng)對系統(tǒng)精度有很大程度提高，故我們選擇方案二。(4) 控制核心與懸掛模塊通信方式的選擇方案一：采用有線傳輸方式，通過較長的線纜，直接將探測信號傳回控制核心，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，作出運(yùn)行控制決策。方案二：采用無線數(shù)傳

8、方式，通過無線模塊，將整個(gè)系統(tǒng)分為探測部分和控制部分兩個(gè)模塊，將采集信號首先送到探測控制模塊，然后傳回主控制器，作出運(yùn)行決策。使用有線模塊時(shí)，較多線纜會更多地導(dǎo)致懸掛物體運(yùn)行誤差，考慮懸掛模塊在運(yùn)行過程中的控制精度問題，我們最終選擇無線數(shù)傳方式。二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及相關(guān)分析計(jì)算1直流伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（1）含有局部反饋的直流伺服控制系統(tǒng)本設(shè)計(jì)采用spce061a內(nèi)置的兩路pwm輸出實(shí)現(xiàn)了直流伺服控制系統(tǒng)的pwm控制。系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。圖4. 直流伺服控制系統(tǒng)（2）電動機(jī)傳動系統(tǒng)本系統(tǒng)采用帶有減速箱的直流電動機(jī)，電機(jī)額定工作電壓12v，減速箱的減速比為，輸出力矩大于2400（gcm），

9、帶輪的平均直徑為12mm，故懸線牽引力大于4000g。題目要求懸掛物重量大于100g，因此足以滿足系統(tǒng)要求，并能使系統(tǒng)具有很大的加速度，增強(qiáng)了靈活性。（3）電動機(jī)驅(qū)動為求硬件電路簡化，電機(jī)驅(qū)動沒有自行設(shè)計(jì)經(jīng)典的h型橋式電路，而是采用專用電機(jī)驅(qū)動芯片l298的兩路四個(gè)功率輸出實(shí)現(xiàn)。電路工作過程：pwm輸出接c，當(dāng)從mcu輸出低電平到d，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)從mcu輸出高電平到d，電動機(jī)反轉(zhuǎn)；其他情況，電動機(jī)停轉(zhuǎn)。2光電探測模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)在黑線尋跡和光電編碼盤檢測中分別使用了反射式和透射式光電傳感器。 利用反射式光電傳感器檢測黑線的電路如圖5(c)所示，其示意圖如圖5(a)所示。電路工作過程如下：當(dāng)探測

10、到黑線時(shí)，紅外光電二極管u1發(fā)射出的光被反射回來的強(qiáng)度很弱，光敏三極管無法導(dǎo)通，所以a點(diǎn)此時(shí)為高電平，通過帶施密特功能的反相器74hc14，mcu收到的信號是低電平。當(dāng)探測到白色底板時(shí)，紅外光電二極管u1發(fā)射的光被反射回來的強(qiáng)度很強(qiáng)，光敏三極管導(dǎo)通，所以a點(diǎn)此時(shí)為低電平，通過74hc14，mcu收到的信號是高電平。（c）（b）（a）圖5.光電傳感器原理圖 利用透射式光電傳感器檢測光電編碼盤，電路原理圖如圖5(c)所示，其示意圖如圖5(b)所示。其工作原理是通過編碼盤阻隔紅外二極管發(fā)出的光，每當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)過一條縫時(shí)，光敏三極管就接收到一個(gè)信號。信號處理過程與反射式光電傳感器相同。3局部閉環(huán)反饋模塊設(shè)

11、計(jì)與實(shí)現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，設(shè)計(jì)一懸線檢測校正模塊來校正線長值，消除系統(tǒng)累計(jì)誤差。懸線采用0.29mm漆包線，并定長剝出一段裸線。在懸線中部，使用由圖釘制作的檢測開關(guān)，來檢查導(dǎo)線上的裸線段，從而校正當(dāng)前測量的線長值，消除累計(jì)誤差，實(shí)現(xiàn)局部閉環(huán)控制。反饋校正模塊示意圖如圖6所示，懸線檢測電路如圖7所示。 圖6. 閉環(huán)檢測校正裝置 圖7.懸線檢測電路原理圖4無線數(shù)傳模塊控制核心模塊與懸掛物之間通過無線方式協(xié)調(diào)工作。由于考慮到比賽時(shí)間限制，沒有自行設(shè)計(jì)制作無線模塊，而是直接采用市場上購買的hac-um系列微功率無線數(shù)傳模塊。該模塊在視距情況下，可靠傳輸距離可達(dá)500m，足以滿足系統(tǒng)要求。三、算法設(shè)

12、計(jì)與軟件流程圖為達(dá)到題目要求的控制精度和響應(yīng)時(shí)間，我們針對各項(xiàng)功能設(shè)計(jì)相應(yīng)的巧妙算法。1各部分軟件算法設(shè)計(jì) 點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動算法當(dāng)控制系統(tǒng)完成從當(dāng)前位置到目的位置的點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動時(shí)（如圖8所示），采用直接計(jì)算當(dāng)前位置和目的位置左右兩個(gè)電機(jī)線程差的辦法實(shí)現(xiàn)控制（使用較小滑輪，滑輪半徑r=10mm，忽略輪的半徑帶來的繞線誤差）。設(shè)左右兩個(gè)定滑輪中心分別為a和b，懸掛物當(dāng)前位置為c，目的位置為d。懸掛物處于當(dāng)前位置時(shí)，根據(jù)勾股定理，左右線分別長： 式（1） 式（2）已知左右滑輪間距離ab,當(dāng)需要移動至目的位置d(x,y)時(shí)： 式（3） 式（4）于是得到左右兩個(gè)電機(jī)的驅(qū)動距離差值： 式（5） 式（6） 圓周運(yùn)動

13、算法當(dāng)控制懸掛物完成圓周運(yùn)動時(shí)（如圖9所示），設(shè)左右兩個(gè)定滑輪中心分別為a和b，圓心為o，懸掛物當(dāng)前位置為c，因?yàn)榛啺霃捷^小，因此忽略滑輪半徑r帶來的繞線誤差。因?yàn)閼覓煳镒鰣A周運(yùn)動，因此圖中的一定，角和角互補(bǔ)變化，其變化量大小決定畫圓準(zhǔn)確度。根據(jù)余弦定理，計(jì)算得到： 式（7） 式（8）且有： 式（9）在控制過程中，使角按照一定精度值步進(jìn)，最終在紙上將畫出一個(gè)以o為圓心的圓。圖8. 懸掛物直線運(yùn)動示意圖 圖9. 懸掛物圓周運(yùn)動示意圖 任意軌跡尋跡算法由于所尋黑線是任意繪制，因此將全段曲線微元化，截取足夠短一小段直線，如圖10所示。在傳感器尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮探測曲線的各種情況，使懸掛物在有黑線

14、區(qū)域，至少有一個(gè)光電傳感器能探測到黑線。系統(tǒng)尋跡算法如示意圖所示，每次探測均有一個(gè)主探測器（a），并且將屏蔽本次主探測器其后的三個(gè)探測器(如圖10（c）所示)，即每次使用8對光電傳感器其中的5對。主探測器的確定是在上一個(gè)狀態(tài)探測時(shí)，記錄探測到黑線的探測器，并將它們相對當(dāng)前主探測器的角度偏移量取平均，從而得到下一個(gè)狀態(tài)探測的主探測器。在尋跡過程中，主探測器將隨著黑線的方向不斷變化，與此同時(shí)懸掛物也隨著黑線運(yùn)動。 圖10. 任意軌跡尋跡示意圖2軟件流程圖 主程序流程圖主程序流程圖如圖11所示。 懸掛物運(yùn)動子程序流程圖懸掛物運(yùn)動子程序流程圖如圖12所示。 人工調(diào)零子程序流程圖調(diào)零子程序流程圖如圖13

15、所示。 圖11. 主程序流程圖 圖12. 運(yùn)動子程序流程圖圖13. 人工調(diào)零子程序流程圖四、系統(tǒng)測試1測試條件測試時(shí)間：2005年9月10日星期六測試點(diǎn)環(huán)境溫度：28c2測試儀器測試使用的儀器設(shè)備如表1所示。表1 測試使用的儀器設(shè)備序號名稱、型號、規(guī)格數(shù)量備注1df1731sl1ata型直流穩(wěn)壓電源1無2tds1002數(shù)字存儲示波器1無3ca1640p20型函數(shù)發(fā)生器1無4fluke 15b型萬用表1精度為位5zsd-803a型秒表1精度為6pc機(jī)1intel celeron 2.4g， 256ddr3點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動的測試測試數(shù)據(jù)及結(jié)果如表2所示。表2 點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動測試結(jié)果實(shí)際目的位置第一次第二次第

16、三次時(shí)間停止位置時(shí)間停止位置時(shí)間停止位置(80,60)65s(79.8,60.2)67s(79.4,60.5)65s(79.8,60.5)(70,70)57s(69.6,69.2)55s(69.6,69.6)59s(69.7,69.5)(60,80)67s(59.7,79.8)67s(59.4,79.5)70s(59.8,79.8)4. 圓周運(yùn)動的測試測試數(shù)據(jù)及結(jié)果如表3所示。表3 圓周運(yùn)動測試結(jié)果圓心位置圓心偏差最大軌跡偏差時(shí)間（25，25）9mm13mm57s（25，50）4mm12mm59s（50，25）7mm10mm62s5. 連續(xù)軌跡尋跡運(yùn)動的測試測試數(shù)據(jù)及結(jié)果如表4所示。表4 連續(xù)

17、軌跡尋跡測試結(jié)果尋跡序號最大偏差距離時(shí)間12mm37s21mm39s33mm42s6. 斷續(xù)軌跡尋跡運(yùn)動的測試測試數(shù)據(jù)及結(jié)果如表5所示。表5 斷續(xù)軌跡尋跡測試結(jié)果尋跡序號最大偏差距離時(shí)間13mm47s25mm49s32mm49s7. 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能整機(jī)測試指標(biāo)完全達(dá)到題目要求，具體見表6。因受競賽場地、實(shí)際環(huán)境等條件影響，各參數(shù)測試會因外界影響而略有誤差。表6 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能功能實(shí)現(xiàn)情況實(shí)際性能基本要求任意設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)通過觸摸屏，在人性化的菜單提示下任意設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)參數(shù)在80cm100cm坐標(biāo)紙上作自行設(shè)定的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)時(shí)間150s誤差5mm在80cm100cm坐標(biāo)紙上，完成自行設(shè)定的階梯軌跡、直線軌跡和拋物線軌跡運(yùn)動圓心任意設(shè)定，直徑50cm的圓周運(yùn)動實(shí)現(xiàn)誤差=1cm可作圓心任意設(shè)定、直徑也可任意設(shè)定（包括50cm）的圓周運(yùn)動原點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)時(shí)間100s可作坐標(biāo)紙上原點(diǎn)到任意點(diǎn)運(yùn)動發(fā)揮部分顯示懸掛物中畫筆所在位置的坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)可在點(diǎn)陣式液晶屏上顯示懸掛物中畫筆所在位置的坐標(biāo)沿連續(xù)黑色曲線段運(yùn)動實(shí)現(xiàn)時(shí)間120s偏差1mm尋跡偏差小，響應(yīng)時(shí)間短沿間斷黑色曲線段運(yùn)動實(shí)現(xiàn)時(shí)間12