毕业设计（论文）-固定轨道上移动目标自动追踪系统的设计.doc

济南大学毕业设计毕业设计题 目 固定轨道上移动目标自动 跟踪系统的设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 班 级 机自0702 学 生 尹振能 学 号 20070403248 指导教师 马玉真 二一一 年 五 月 二十八 日- 1 -济南大学毕业设计- 21 -1 前言1.1选题背景自动跟踪系统就是连续跟踪并测量运动目标轨迹参数的系统。自动跟踪的目标是以一定速度和加速度运动的车辆、舰船、飞机、导弹和人造卫星等物体。自动跟踪可提供运动目标的空间定位、姿态、结构行为和性能，是运动目标的多功能和高精度的跟踪和测量手段，自动跟踪由位置传感器、信号处理系统、伺服系统和跟踪架等部分组成。从工业革命以来，自动跟踪装置就一直应用于工业领域，从最开始的纯机械化自动跟踪装置，到后来的机电一体化自动跟踪装置到现在的机、电、光一体化自动跟踪系统，自动跟踪技术发展越来越成熟，跟踪的精度越来越高，在人类生产生活方面有着不可替代的作用。在现今高科技环境下，自动跟踪系统在人类生活当中的应用越来越广泛，具有巨大的发展前景。电视自动跟踪系统采用电视摄像机作为探测器，电视摄像机对视场内目标像进行光栅扫描，把光信号转换成电信号。电视自动跟踪按目标跟踪点的不同分边缘跟踪、矩心跟踪和相关跟踪。以最先扫描到的目标像位置作为目标跟踪点的跟踪称为边缘跟踪；全扫描目标像后经过计算，算出目标像的矩心作为目标跟踪点，称为矩心跟踪；算出帧间目标像的相关函数，选取相关系数最大点或者按照帧间目标像的匹配算法算出匹配函数最大点作为目标跟踪点，称为相关跟踪。自动跟踪信息处理由简单处理向图像信息处理方向发展，由点跟踪向点跟踪和图像处理技术相结合方向发展,充分利用目标图像信息,提高抗干扰性能。电视跟踪器产生多个窗口，能同时跟踪视场内数字目标。多目标跟踪采用先求出各个目标中心，然后求出多个目标中心形成多边形的中心进行跟踪，也能由人工指定需要的某个目标进行自动跟踪。此自动跟踪系统是研究有关平行导轨上自动跟踪技术，跟踪精度较高，运用了先进的传感器跟踪技术，在精密机床，工业机器人精密焊接机器手等装置上有着广泛的应用。1.2国内外发展情况自动跟踪系统很早就出现在我国的民用，军事，工业等领域，国内这些跟踪系统通常是由资金雄厚的单位用户设计的，其中在民用领域应用最多的就是GPRS定位系统，GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户与卫星之间的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到，由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是称为伪距：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共分两种，分别是民用的C/A码和军用的P码。C/A码频率大约1MHz,重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300 m；P码频率大约10MHz，重复周期266天，码间距0.1微秒，相当于30 m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等相关信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换密码、第1、2、3数据块，其中最主要的则为星历数据库。当用户接受到导航电文相关信号时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的远程距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知相关信息。GPS定位在犯罪侦探，车载跟踪系统方面使用较多，也有很多国内科研单位在进行更深一步的研究。在军事方面，国防科技大学早就对自动跟踪系统的应用有了深入的研究，探索了高增益自适应跟踪系统在鱼雷深度控制的应用情况等先进技术，为提高我国军事力量打下坚实技术基础；在工业领域，工业机器人在激光焊接过程中由于一些偶然的不稳定因素可能导致焊接状态出现焊接缺陷，因此对激光焊接过程中的焊缝进行实时跟踪具有非常重要的意义，哈尔滨工业大学焊接研究所就对这一课题进行了深入的研究，探索出一整套成型的自动跟踪系统并应用与实践当中，视觉传感技术由于其优点被应用于焊缝跟踪系统。此外，早在1996年我国开始实施的铁路调度指挥管理信息系统工程，其功能是通过处理采集基层相关信息实现的。其中最基本的信息是区段调监信息和列车车次信息 。调监信息反映的是信号机、道岔、等设备的运用状态，车次号则是运行中列车的唯一标志，反映的是列车的种类、编组、重量和长度等信息，是铁路现代化管理的重要信息源。调度监督系统并不仅仅是显示所辖范围内铁路基础设备的占用情况，更主要的是显示列车的运行情况，为铁道部运输管理信息系统提供强有力的信息支撑，从而为铁路的进一步智能化管理提供现实依据。在整个调度监督系统的各监视设备上，列车运行的实际情况可通过表示列车占用的红色光带以及相关信号设备的状态模拟显示，调度监督系统可对列车车次号实时追踪，并且应用于现代铁路自动化系统中。高可靠的车次号是调度监督系统 ,更是调度集中系统必不可少的基础,它已成为现代铁路调度管理能否上台阶的一个关键点。然而，在发达的西方国家，除了国内出现的例如GPS定位系统，鱼雷跟踪系统，机器人焊接实时跟踪系统等这些应用外，还率先探索了太阳能跟踪系统在生活当中的应用，这种太阳光导光系统能将自然光引入地下建筑，无窗建筑和进深大的建筑空间，为人们提供舒适的光照环境，具有非常大的节能潜力，在能源紧张的当今社会，这种图1-1 太阳能自动跟踪系统应用越来越受到社会的重视，有着广泛的应用前景，而太阳能跟踪系统解决了如何提高太阳光装置利用效率的问题，该系统是采用光、机、电一体化的技术，通过对太阳光强弱的检测，实现对太阳光的全自动跟踪。其次，以美国为首的西方国家在军事方面对自动跟踪系统的应用也远远超过中国，例如：爱国者导弹在伊拉克战争中的失败使美国研制出一种新型的近程低空面空导弹，这种导弹作为要地防空参与者和野战防空主力承担者，在现代战争中有着不可替代的作用。而近程低空面空导弹武器系统的主要关键技术就是传感器的自动跟踪技术。除此之外，监狱使用智能跟踪定位系统是一个新课题，西方发达国家的监狱先行尝试，2005年12月AeroScout和Alanco两家公司宣布开发出业界首创基于WiFi无线局域网的RFID标签人员跟踪系统，并在欧洲某个监狱试用。目前，中国的监狱还没有开发出完整的智能跟踪定位系统，西方发达国家和我国的台湾地区在对假释的罪犯和个别受保安处分的违法行为人使用“电子镣铐”却常有所闻。实现人员和移动物品跟踪定位有多种途径，GPS(全球卫星定位系统)是使用最广泛、最常见的定位方式，特别适合交通工具和人迹罕至的野外作业人员的定位;近两年开发的手机定位系统，利用手机与机站不间断通讯的特点，实现对人员的定位跟踪，中国联通公司已经开办了此项业务；无线局域网(WLAN)定位是一种新型的定位方式，利用无线接入点的密布，通过“接收信号的强弱、角度、时间等，以及典型的三角算法”，测定移动目标的位置，目前开发的有基于IEEE802.11系列标准的无线局域网定位系统和基于IEEE802.15.4标准的Zig-Bee技术的无线智能传感器网络定位方法；无线射频识别卡定位是一种经济的、精确的定位方法，利用射频标签与读头(阅读器)的通讯联系确定目标定位，利用局域网(LAN)或无线局域网(WLAN)实现定位指示。 基于上述要求，GPS定位和手机定位显然是不适用监狱用于罪犯人身的定位，一是不便于携带，“人机不可分离”难以实现;二是投入和运行费用高，监狱难以承受;三是定位的精确度不高，手机定位虽然号称定位精确度在5米之内，实际误差在15米50米，GPS虽然精确度在2米以内，但无论是手机定位还是GPS定位，都仅限于平面定位，无法解决楼层等立体建筑内人员的精确定位。因此，在目前技术条件下，监狱用于对矫正人员和罪犯人身定位比较适宜使用WLAN或WSN定位和RFID定位两种方法。1.3设计内容该设计题目属于机电一体化系统设计的内容，应用到课程包括：测试技术、机电一体化系统设计、机械设计、机械原理、单片机控制原理、机电传动与控制、画法几何与机械制图、理论力学、材料力学、机械制造及基础、互换性与技术测量等。根据所学专业知识，完成固定轨道上移动目标自动跟踪系统的整体设计，包括轨道的机械结构系统、跟踪系统、传感器的调整和固定系统、自动控制系统等几个部分。 该系统的指标如下： 1 系统目标最大移动位移为500 mm； 2 传感器与目标的原始间隙的最大范围为50 mm；3 跟踪系统可以在轨道的滑槽内移动，移动范围为500 mm；4 传感器可以在悬臂梁上移动速度范围为100 mm/min-500mm/min。自动跟踪系统可粗分为宏跟踪和微跟踪两种，例如在钢铁生产线上，在冷轧连续生产机组中，宏跟踪就是指从机组入口至机组出口的全面跟踪，它是以一个钢卷为单位进行的相对粗放的跟踪，如入口段的步进梁上钢卷的跟踪。由于宏跟踪钢卷数量多,故信息量大,但时间响应要求不是很高。微跟踪主要是指主作业线上材料的详细跟踪,如某带钢头部目前离焊机的正确距离,再走多少米它将进入清洗槽等详细信息。这种微跟踪直接参于在线控制,故时间响应要求高。以连续退火机组为例,这种微跟踪的范围是从焊机开始至出口飞剪为止的跟踪区域。本设计题目是研究导轨上微位移的自动跟踪，系统目标最大移动位移为500mm，跟踪系统可以在轨道的滑槽内移动，移动范围为500 mm，属于微跟踪的范畴。本自动跟踪系统需要运用传感器跟踪技术，在这一应用领域，无线传感器的使用是最为广泛的，无线传感器网络跟踪是传感器网络的主要用途之一，也是一个难点和关键问题，同时在很多商业和军事领域中应用广泛，如交通监控、机构安全和战场状况获取等。利用无线传感器网络中的节点协同跟踪，是无线传感器网络技术应用的一个很重要的方面。最早的无线传感器网络系统跟踪实验是美国DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)的SensIT项目中一些跟踪方法实现。现在的许多跟踪应用方案依然处于研究阶段。由于传感器节点存在很多硬件资源的限制，还经常遭受外界环境的影响，无线链路易受到干扰，网络拓扑结构动态变化，而传感器网络的活动目标跟踪应用具有很强的实时性要求，因此，许多传统的跟踪算法并不适用于传感器网络。活动目标跟踪在雷达领域研究多年，成果很多经典的活动目标跟踪是单传感器跟踪系统，发展了如最近邻法、集合论描述法、广义相关法、经典分配法、多假设法、概率数据关联法、联合数据互联法、交互多模型法等数据互联算法。而20世纪70年代兴起了多传感器信息融合技术，对多个传感器数据进行多级别、多方面、多层次的处理，产生了新的有意义的信息。集中式多传感器综合跟踪算法是在单传感器系统的基础上直接发展起来的，如多传感器联合概率数据互联法(MSJPDA)和广义S一维分配算法；分布式多传感器航迹关联算法主要有基于统计的方法(如加权法、独立序贯法、经典分配法、最近邻法、K-NN法等)和基于模糊数学的方法(模糊双门限航迹关联算法、基于模糊综合函数的航迹关联算法)。对于WSN来说，因为其单个节点能力有限，必须多个节点联合进行目标跟踪，而且没有强大的中心处理器，显然单传感器和集中式多传感器跟踪算法都不适合；而分布式跟踪算法的概念是传感器有自己的信息融合中心，与我们WSN的分布式有一定的区别，他不会考虑融合节点的能力，计算复杂。虽然上述方法具有比较高的精度，但在WSN中无法实现或效率不高。传感器的选用原则如下：1) 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。此追踪装置应采用非接触测量，传感器体积应该较小，可采用光电传感器、磁电传感器等。2) 灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的厂扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。3) 频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有定延迟，总是希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点和响应特性，以免产生过大的误差。4) 线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。5) 稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境对其的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。6) 精度精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。综上所述，在传感器的选择上，由于传感器与目标的原始间隙的最大范围为50mm，间隙比较小，适合用光电式传感器或磁电式传感器。光电传感器光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。 图1-2：光电式传感器图1-3：磁电式传感器相对于磁电式传感器，在此自动跟踪系统中光电传感器有如下几个优点：（1） 对检测物体的限制少：由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃、塑料、木材、液体等几乎所有物体进行检测。 （2） 响应时间短：光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。 （3） 分辨率高：能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率的效果，也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。 （4） 可实现非接触的检测：可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。因此，传感器能长期使用。 （5） 便于调整：在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。2追踪系统总体方案拟定2.1 总体方案设计的内容接到一个追踪系统的设计任务之后，必须首先拟定总体方案，绘制整体系统结构简图，然后才能决定各种设计参数和结构，最后对机械部分和电路控制部分分别进行设计计算。该自动追踪系统总体方案的拟定应包括以下内容：轨道的机械结构系统、跟踪系统、传感器的调整和固定系统、自动控制系统等几个部分。一般根据设计任务和要求提出三个总体方案，进行综合分析，比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。2.2追踪系统整体结构该追踪系统是实现两平行导轨之间的直线追踪，在一根导轨上固定目标物体，另一轨道上装有摄像头和光电传感器，两根平行导轨放在一正方形的铝合金支架上，而且两平行导轨装置可以在铝合金支架上滑动，从而改变两导轨之间的距离，进一步改变传感器和摄像头到目标物体之间的距离。两导轨上面的平台通过丝母和丝杠之间的齿合传动沿导轨移动，而装在平台上的目标物体和传感器装置就能沿导轨平行移动。为了提高光电传感器的接受目标物体反射回来的光信号的灵敏度，去除非垂直反射光的干扰，需要缩短光电传感器与目标物体之间的距离，所以在摄像头装置两端各设计一个悬臂装置，在两悬臂装置的末端各自固定一个光电传感器，这样就能使传感器到目标物体的距离在10mm之内，两传感器之间不相互干扰。由于该装置属于微位移自图2-1 追踪系统整体结构简图动跟踪系统，跟踪精度非常高，需要保持传感器的灵敏度在装置的滑动过程中都非常高，所以该光电传感器必须固定在导轨内侧而且在滑动过程中不能有晃动，两光电传感器用502胶水固定在支架结构上，不会在移动过程中出现晃动等情况的发生。2.3追踪系统原理该装置的跟踪系统主要就是由光电传感器来实现的，其主要原理是：光电传感器将从目标物体反射回来的光采集，采集到光信息经过电路转变为模拟信号之后, 送入自带模数转换功能的单片机,然后单片机对数据处理从而控制相应的步进电动机动作,进而控制平台, 当光电传感器能正常采集到光信号时，单片机控制相应步进电动机使携带传感器的装置按原来速度正常滑动；当光电传感器不能正常采集到光信号时，单片机经过数据处理后控制电动机使携带传感器装置反向加速滑动，直到追上目标物体时，传感器能正常接受光信号，这时该装置又维持原来速度向前滑动。2.4自动追踪控制系统用于目标跟踪的传统控制技术主要有两种方式: 硬件以单片机为控制核心,软件的主程序是一个无限循环,这种方式成本低,体积小 但单片机受其自身结构的限制,处理速度都比较慢,对于一些可以提高系统性能的复杂控制算法,很难做到实时执行 另外,单片机系统的通用性差,人机界面不好,实现的功能很有限,硬件以工控机为核心,加上各类板卡组成系统,软件则是基于现成的组态软件和操作系统进行二次开发, 此方式通用性强、功能强大、可靠性高、但其成本高、体积大、便携性差、功耗也高。该自动控制系统主要由光电传感器、CG300信号采集卡、工控机、西门子CPU214的PLC、步进电机、步进电机驱动器与PLC的接口电路、执行机构等组成. 其工作原理: 由光电传感器采集从目标物体反射回来的光信号, 由上位机软件对光信号进行数字处理, 得到当前处理结果就是光电传感器与目标物体之间的距离，当处理结果发生变化时，将此变化量送给PLC,然后通过PLC,根据上位机处理后的数据经过PID等处理,通过改变步进电机的转动周期和方向来调整携带传感器一侧装置在导轨上的滑动方向,从而实现了自动跟踪。2.5信号采集整个系统的数据采集主要是光信号和图像信号采集，在摄像头和光电传感器接收信号之后，采集的信号经过模数转换，光信号和图像信号转换成电压信号，这些模拟电压信号经过调制后转换成脉冲信号，这些脉冲信号就能控制微型步进电机正向或者反向转动，实现自动追踪的目的。2.6信号处理摄像头和光电传感器能接收的信号是图像信号和光信号，这些信号不能对步进电机进行控制，这些信号在经过CD4051模数通道和7135的A/D转换之后，就能转换成模拟数字信号。转换后的数字信号经调制电路处理后就能转换成脉冲信号，这些脉冲信号就能用来控制步进电机的运动方向和速度。2.7追踪系统设计优点本追踪系统的设计有点主要有以下两点：（1）跟踪精度高：两光电传感器分别对准目标物体的首尾两端，当两光电管能正常接收发射出去的光信号时，传感器一侧导轨按目标物体速度匀速跟随；当目标物体反向时，有一个传感器就不能正常接收其发射出去的光信号，此时通过控制系统使传感器一侧导轨反向运行，从而实现继续追踪目标物体的目的。整个追踪过程中，只要目标物体反向，传感器就不能正常接收光信号，控制系统就会马上控制电机反向转动，使传感器一侧导轨马上那个反向追踪目标物体，整个过程追踪精度较高。（2）控制系统简单：该方案中，只要两个传感器中任意一个不能正常采集到光信号，单片机在接受该信号后马上控制装置反向滑动，信号处理过程较简单，不存在加速过程，所以整个控制系统较简单。2.8追踪系统特点该自动追踪系统由如下特点：（1）目标物体的控制系统与跟踪系统的主程序控制系统分离。（2）整个系统能实现可控的随机运动。（3）系统采用模式匹配的图像跟踪方案。（4）速度可变的运动跟踪方案。3追踪系统机械结构设计本自动追踪系统最主要的机械结构就是两根平行导轨、底座结构和传感器的固定支架结构。3.1 平行导轨的设计该追踪系统采用两平行直线导轨直线导轨副具有承载能力大、接触刚性高、可靠性高等特点，主要在机床的床身、工作台导轨和立柱上、下升降导轨上使用。我们在选用时可以根据负荷大小，受载荷的方向、冲击和振动大小等多种情况来选择导轨材料，一般用45号钢即可。然后需要确定两导轨的长度和宽度，根据目标体物的移动范围(500 mm)来确定导轨的长度，根据光电传感器的尺寸和传感器与目标物体之间的距离(50 mm)来确定导轨的宽度。接下来需确定导轨上滑块类型及数量，常用的滑块是两种：法兰型，方形。前者高度低一点，但是宽一点，安装孔是贯穿螺纹孔，后者高一点，窄一点，安装孔是螺纹盲孔。两者均有短型、标准型和加长型之分，主要的区别是滑块本体长度不同，当然安装孔的孔间距也可能不同，多数短型滑块只有2个安装孔。3.2 系统底座的设计由于该追踪系统的整体尺寸较小，整体重量较轻，为了减小整体成本，底座结构采用铝合金结构，且整个底座采用空心结构。设计的底座图形如下： 图3-1 底座结构简图3.3 传感器固定支架的设计追踪系统在模拟摄像头两端各自装上一个光电传感器，两个传感器用502胶水粘贴在两L型悬臂梁上，使传感器到目标物体的距离在10 mm以内，保证每个光电管发出的光经垂直反射后能被该光电管接受。3.4 零件校核 丝杠的校核 强度校核 由于追踪系统的丝杠仅仅是起传动作用，主要用于承受扭矩，因此可以按扭转强度条件计算，且由于该系统的转速不是很高。所以不存在瞬时过载很大火应力循环不对称性等情况，所以不用校核静强度。校核步骤如下：丝杠的扭转强度条件为：式中：-扭转切应力，Mpa； T-轴所受的扭矩，Nmm； Wt-轴的抗扭界面系数，mm3； n-轴的转速，r/min； P-轴传递的功率，KW； d-计算截面处轴的直径，mm； -许用扭转切应力由此可得丝杠的直径 =16mm对于细丝杠，同理可知=13mm故粗细丝杠分别选用18mm和14mm符合要求。3.5 电动机的选择该系统选用的为微型步进电机，步进电动机广泛应用于普通机床定位控制。图1是工作台由步进开环定位控制系统, 控制系统由步进电动机、步进电动机驱动器、 控制器和机械执行机构组成。步进电动机将电脉冲电流转换成角位移并通过滚珠丝杆驱动工作进行线位移。工作台移动速度和位移取决于步进电动机接收的脉冲多少和脉冲频率。电机接收的脉冲越多,位移越大; 脉冲频率越高, 移动越快; 改变脉冲序列的相序,就可改变电机的转动方向, 即工作台移动的方向。驱动器把主控制器 PLC输出的脉冲经过脉冲细分、计数分配及加放大,以驱动步进电动机。当控制系统每发一个脉冲信号,通过驱动器能使步进电动机旋转一定角度。驱动器一般有脉冲输入 CP、 方向输入 DIP和脱机输入 FREE, 电源电压有24 V( DC )、 48 V( DC )、 80 V( AC ),输出视驱动电机而定。 本系统采用H 桥驱动器使步进电机获得更高的性能，并把8031 单片机引入步进电机的控制系统，使其能够在智能化程序的控制下以加速、减速、正反转及细分等方式运行.。步进电机的微机控制系统如图1 所示, 它是由8031 单片机、电平转换与隔离驱动电路、程序存储器、D/ A 转换电路、键盘与显示电路、以及步进电机控制系统软件组成. 其中, 电平转换与隔离驱动电路把8031 单片机输出的数字信号转换为驱动电路所需要的信号, 再由驱动电路驱动步进电机的运行; 同时把数字电路与驱动电路隔离开, 以避免步进电机运行时产生的冲击电压和电流干扰 8031 单片机的正常工作. 程序存储器用来存储控制步进电机启动、停止、加速、减速、匀速、正反转 图3-2 步进电机的驱动电路图及细分等各种功能程序.D/A 转换把8031 单片机输出的数字量转换为模拟信号, 作为驱动电路细分控制的参考电压. 数字键与功能键用来设置步进电机的各种运行参数和选择其各种运行方式.系统的工作过程是: 用数字键把步进电机运行的各种参数存入8031 单片机内部RAM, 用功能键，选择其运行程序, 控制步进电机以启动、停止、加速、减速、恒速、正反转及细分等方式运行。8031 单片机P1 口输出的控制信号送到电平转换与隔离驱动电路以驱动步进电机的运行。同时8031 单片机 P0 口输出的数字量送到 D/ A 转换器，以控制流过步进电机绕组的电流值, 不要求细分时，这一数字量是一定的; 需要细分时, 这一数字量是逐级变化的。由工作原理知，该控制系统导轨移动速度范围为100 mm/min-500mm/min，速度比较慢，因此丝杠轴的转速不能太大，使测头在安全速度范围内稳定工作，保证测量的精确度。选用微型步进电动机型号为28BYG250C-0071，其参数如下表3-1所示表3-1 步进电机参数表步距角（度）0.9/1.8相电流（安）0.7保持转矩（牛.米）0.09转动惯量（克.平方米）12重量（千克）0.15外型尺寸（毫米）28*28*40相数2 4 电路与控制系统设计4.1 信号采集原理用于目标跟踪的传统控制技术主要有两种方式: 硬件以单片机为控制核心,软件的主程序是一个无限循环,这种方式成本低,体积小 但单片机受其自身结构的限制,处理速度都比较慢,对于一些可以提高系统性能的复杂控制算法,很难做到实时执行 另外,单片机系统的通用性差,人机界面不是很好,实现的功能很有限，硬件以工控机为核心,加上各类板卡组成系统,软件则是基于现成的组态软件和操作系统进行二次开发, 此方式通用性强、功能强大、可靠性高，但其成本高、体积大、便携性差、功耗也高。4.2 信号模数转换 光电传感器接收的信号不能直接控制步进电机，需要经过模数转换处理才能进入下一步程序。AD转换器的主要指标如下：（1）分辨率。指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。（2）转换速率。是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比较型AD是微秒级属中速AD，全并行串并行型AD可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率必须小于或等于转换速率。因此习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是Ksps和Msps，表示每秒采样千百万次。（3）量化误差。由于AD的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率AD的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、12LSB。（4）偏移误差。输人信号为雷时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。（5）满刻度误差。满刻度输出时对应的输人信号与理想输人信号值之差。（6）线性度。实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上3种误差。AD的其他指标还有绝对精度、相对精度、微分非线性、单调性和无错码、总谐波失真和积分非线性等。对于AD转换器，选取的标准主要决定于采样频率和位数，以及价格、供货周期、应用情况等其他因数。生产高速AD的主要厂家有AD公司、Maxim公司以及TI公司（也就是BB公司）。这三家公司在高速AD上的产品种类不是很多，根据对各种AD芯片的查阅，选择TI公司的AD转换芯片ADS5422。ADS5422是14bit的最高采样频率可达62Msps的高速AD转换芯片，采用单 5V电源供电，在采样频率为10M时其最大动态范围为82dB，最高信噪比达到72dB，其数字量输出可以直接和5V或者3.3V的CMOS芯片连接，模拟量输入的峰峰值为4V，可以直接输人0.54.5V的模拟量，封装形式为64脚的扁平四方封装，目前TI的官方报价为29美元片，国内也有该芯片出售，国内价格在300元左右。14bit的AD转换适应信号的范围为10lg（214）dB42dB，基本上可以适应各种应用场合。ADS5422的采样频率的大小由其输人时钟决定，输入时钟的范围可以在16ns1s，输人时钟为16ns时对应采样频率为62MHz，AD可以接受3V或者5V的TTL或者CM0S电平。DSP可以提供该时钟信号，并且可以软件设置输人时钟的各种特征量，包括时钟频率、高电平宽度等，基本上可以满足AD5422对时钟信号的要求。这里确定AD的实际采样频率为60MHz。这样，一秒钟内采样的数据量为50M个，由于DSP系统无法及时处理这些数据，在数据处理之前，必须将这些数据保存起来，使用FO保存1M个数据，也就是20ms内的采样数据，1M个数据采集结束开始信号处理过程。由于高速AD采样导致信号不是很稳定，甚至出现错误的情况。将设计多层板，加强布线的合理性，从电路板上尽可能去除干扰；其次提高算法的效率，节省计算时间。和ADS5422功能接近的其他型号的AD还有AD公司的AD9244。和ADS5422相比，两者数据位数都是14bit，在信噪比上两者相近，时钟输入和操作方法比较相近，电源都是5V，输出数字信号都可以和3.3V的芯片兼容；其主要优点是功耗是ADS5422的一半，500mW；其主要缺点是输人模拟电压峰峰值为ADS5422的一半，只有2V。AD公司其他的高速AD芯片还有AD6644，为其早期产品，操作方法和ADS5422、AD9244不一样，AD6644功耗达到13W。和高速AD的另外一个厂家Maxim公司也有一批高速AD产品，但采样频率在40MHz以上没有14bit数据的AD，其产品优势主要集中在中速AD上。4.3 光电传感器电路图 该光电传感器接收光信号要经过一系列的处理之后才能作用于微型步进电机上， 图4-1 光电传感器电路图光电传感器的电路图如上（只画出其中一个光电传感器的电路图，另一个与之相同）。4.4 步进电机控制电路图 该步进电机控制系统的主要芯片为8031，8031单片机是Intel公司生产的MCS-51系列单片机中的一种，除无片内ROM外，其余特性与MCS-51单片机基本一样。 图4-2步进电机控制原理图中央处理器是单片机内部的核心部件，它决定了单片机的主要功能特性。中央处理器主要由运算部件和控制部件组成。下面我们把中央处理器功能模块和有关的控制信号线联系起来加以讨论，并涉及相关的硬件设备。（1）运算部件：它包括算术、逻辑部件ALU、布尔处理器、累加器ACC、寄存器B、暂存器TMP1和TMP2、程序状态字寄存器PSW以及十进制调整电路等。运算部件的功能是实现数据的算术逻辑运算、位变址处理和数据传送操作。MCS-51单片机的ALU功能十分强，它不仅可对8位变量进行逻辑“与”、“或”、“异或”、循环、求补、清零等基本操作，还可以进行加、减、乘、除等基本运算。为了乘除运算的需要，设置了B寄存器。在执行乘法运算指令时，用来存放其中一个乘数和乘积的高8位数；在执行除法运算指令时，B中存入除数及余数。MCS-51单片机的ALU还具有一般微机ALU，如Z80、MCS-48所不具备的功能，即布尔处理功能。单片机指令系统中的布尔指令集、存储器中的位地址空间与CPU中的位操作构成了片内的布尔功能系统，它可对位（bit）变量进行布尔处理，如置位、清零、求补、测试转移及逻辑“与”、“或”等操作。在实现位操作时，借用了程序状态标志器（PSW）中的进位标志Cy作为位操作的“累加器”。运算部件中的累加器ACC是一个8位的累加器。从功能上看，它与一般微机的累加器相比没有什么特别之处，但需要说明的是ACC的进位标志Cy就是布尔处理器进行位操作的一个累加器。MCS-51单片机的程序状态PSW，是一个8位寄存器，它包含了程序的状态信息。图4-3 步进电机控制电路图（2）控制部件：控制部件就是单片机的神经中枢，它包括时钟电路、复位电路、指令寄存器、译码以及信息传送控制部件等几部分。它以主振频率为基准发出CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，完成一系列定时控制的微操作，用来控制单片机各部分的运行。其中有一些控制信号线能简化应用系统外围控制逻辑，如控制地址锁存的地址锁存信号ALE，控制片外程序存储器运行的片内外存储器选择信号EA，以及片外取指信号PSEN。5 结 论本文首先介绍了下自动跟踪装置，对自动跟踪的定义进行阐述，介绍了自动跟踪装置的结构特点，并设计出一种简便，成本较低的直线自动跟踪装置。本次设计的自动跟踪装置主要由两直线导轨、铝合金底座装置、两光电传感器、丝母、丝杠等组成。整个装置结构比较简单，但在实际生产生活当中应用非常广泛，其原理能帮助我们理解许多实际的自动跟踪问题。通过此次自动跟踪装置的设计，可以归纳为以下几点工作步骤：首先进行市场调查，查看国内外行情，并对各种自动跟踪装置的结构进行比较。最终确定本文跟踪装置的设计方案。在确定跟踪装置的设计方案后，对装置的结构进行设计。通过参考已有的模型，加入自己的设计思想。最终设计出本文跟踪系统的结构组成。由于整个跟踪系统结构简单，使用的控制系统不能实现在目标物体反向之后马上反向，中间有短暂时间停留，造成跟踪误差，在实际的应用当中可能会产生较大不好影响，需要进一步完善控制系统的设计。除了对追踪系统的机械结构进行设计之外，还对微型步进电机的选用和控制进行相关的说明，但步进电机的控制这部分不是很成熟，需进一步改善。通过这次毕业设计，使我对专业知识知识有了更进一步的理解；也掌握了基本的画图软件，如AUTOCAD,Protel99等。其中也遇到了诸多实际性的问题，如面临新问题不知该如何下手，解决问题过于理想化，不能站在实际问题的角度考虑，单片机相关课程知识相对薄弱等。然而通过这段时间的锻炼，使我在这方面得到了很大的提高，比如面临新问题，通过查阅相关资料进行初步了解，不主观臆断，不急于求成，使自己更冷静清晰的处理，解决问题。通过毕业设计阶段的积累，也总结出一套适合自己的方法，收获颇丰。参 考 文 献1 Sugitani, Y., Murayama, M. and Tamaoki, N., Lattice Welding Robot with High Speed Rotating Arc, Proc.1st Materials and Processing Conference, M&P 93, (in Japanese), (1993), pp.246247.2Seliger, G. and Mueller, H., Prototype eines Mobilen Kleinroboters zum Schweissen von Grossauteilen aus Stahl, Schweissen & Schneiden, Vol.47, No.9 (1995), pp.714716.3Seliger, G., Hsieh, L.H. and Mueller, H., Programming and Navigation of a Mobile Welding Robot, Proc. 25th International Symposium on Industrial Robots, (1994),pp.649654.4 Suga, Y., Muto, A. and Kumagai, M., Automatic Seam Tracking of Welding Line by Autonomous