悬挂运动控制系统

1、悬挂运动控制系统尹仕一出绞我望尽着手脑 汁里的破这张译画与反像， 破目译光的乃 情至报整战个 正身在体展也开渐。渐他的 变得变更冷了加、沉凝默固 ，甚了至，只 更是加孤嘴角 独感，这觉微一微点，一颤 我看，也在似眼乎里，溢出 痛在了心一丝 上淡，也淡的微许笑是我 比，别而人那 冰冷的更能理 思解他绪；却 渐或渐者的是 回我到们同了病童年，相怜的那个凄缘故，楚的、从那时如梦侯如起，烟的直悲到若惨岁月干年。后眼，看我们着父亲父子又俩往牙经历了刷上那，么多挤了风一风雨点洁白雨、沧的膏海体桑田，二的次变接故着再，我始刷，终我没有又咽了离开过一下口他。水就，是伸因为了伸这懒只腰羊，刚他与 要起身母亲，可

2、这没时少拌，果不嘴，因其然，为母亲大喇叭坚决里反李玉对养这 和的唱山只段羊戛！然每到而止！这时，紧接着我就自就传出然站了在当时父亲一 任村支边儿书， 的尽母管亲， 我那用时清脆还而不十又掷 分清地楚有声，的母亲嗓音 为什，宣么不读让一项重养这只要通知山羊。，超越我只是巅峰替的父亲智力对愤愤不决，平惊！心动魄 的密码 暗战。摘要：本系统米用SPCE061A单片机作为控制系统的核心，通过光电编码盘实现 对悬挂物位置的精确测量，并引入局部闭环反馈控制环节对误差进行修 正。在寻迹过程中， 米用无线数传通讯的反馈方式替代了有线连接的反馈 方式，避免了线缆牵引带来的控制误差。 系统米用点阵液晶和触摸控制屏

3、 实现了友善方便的人机交互界面。Abstract: This system adopts the SPCE061A as the kernel of the control system. The system measures the position of the 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 da

4、ta transmission feedback instead of the lineate feedback to avoid the system control error which brought by the line. The system uses a LCD and a touch screen realizes a friendly and conveniently HMI (Human Machine Interface).、方案论证与比较1 .系统基本万案本系统主要由主控制模块、电机驱动模块、检测反馈环节和悬挂模块四部分组成，实现了局部闭环的悬挂运动控制系统。系统框图

5、如图1所示。I图1 .系统总体框图I悬挂物-无线模块悬挂核心MCU光电检测阵列2 各模块方案选择与论证(1) 位置测量方案的选择方案一：采用位移传感器实现对悬挂物的定位。受光电鼠标原理的启发，可采用位移传感器，获取悬挂物的坐标偏移量，得到当前位置X、丫坐标。此方案可以通过直接购买鼠标成品作为悬挂物， 从鼠标接口取得当前位置量，定位精度 高。但是它测量的相对坐标，并非绝对，一旦掉帧，系统就无法校正；另一方面 市场上的鼠标多为USB接口，USB数据传输协议较为复杂，限于比赛时间限制， 实现较为困难。方案二：采用步进电机实现对悬挂物的定位。由于步进电机可对旋转角度实现精确控制，因此可得到悬挂线的精确

6、角位移， 从而可以计算出线位移，进而可以计算得到悬挂物的位置，实现悬挂物定位。常用的两相四线步进电机和两相六 线步进电机等，转动一步精度可达到 0.9。，线位移误差可以达到毫米级。但由 于题目对悬挂物重量有一定要求，则需要步进电机转矩较大。而步进电机转矩越 大，其在停止时的锁死电流就越大，因此采用步进电机对电源功耗要求很高。 另 外当步进电机运转频率过高时，会出现失步等现象，影响控制精度。方案三：采用直流电机结合光电编码盘实现对悬挂物的定位。此方案是将光 电脉冲信号转化为角位移量，是工业控制中的常用方法。编码盘转轴与直流电机 转轴同轴相连，通过安装在码盘两侧的透射式红外对管测得电机转过的角位移

7、。 光电编码盘示意图如图2所示。直流电机相对步进电机成本低廉， 容易采购，电 机驱动电路简单。相比之下步进电机需配套使用相应的时序脉冲产生电路，如常用的L297芯片等，这不仅增加控制系统的成本，也使硬件相对复杂。因此采用 此方案简便易行，成本低廉。基于以上分析，选择直流电机结合光电编码盘的定位方案。(2) 任意轨迹探测方案的选择方案一：采用CCD/CMOS光电成像传感器，通过图像识别得到悬挂物行走 轨迹。实地拍摄坐标纸图像，由单片机处理后分析找出黑线延伸方向，控制悬挂 物体沿黑线前进。但此方案实现难度较大，短期内无法完成。方案二：采用反射式红外传感器阵列，通过多个红外头的探测信号得到悬挂 物行

8、走轨迹。由于黑色物体和白色物体的反射系数不同， 从而实现对黑白物体的 分辨。将8个红外对管组成一个环，围绕在画笔周围，调整各传感器之间的间距， 可以探测出黑线任意延伸方向。可满足题目的精度要求。传感器阵列示意图如图3所示。基于以上分析，选择方案二图2.光电编码盘示意图红外管对外管 红对红外对管对红外管画笔外管 红对悬挂物支架图3.红外传感器阵列示意图(3) 控制策略的选择方案一：开环控制系统。通过对电机输出量的测量来实现距离量的测量。因 开环控制不具有修正由于扰动而出现的的悬挂模块实际走过的路程与计算输出 量的偏差，故抗干扰能力较差。方案二：局部闭环控制系统。在通过测算光电编码盘的光电信号计算

9、电机输 出量的同时， 在线上加入反馈修正子模块。 在外壁不导电的漆包线上， 每隔一定 固定距离， 刮掉一小段油漆露出导电芯， 通过对导电芯的探测达到测量实际路程 值的目的，构成一个局部闭环控制系统。显而易见，局部闭环控制系统对系统精度有很大程度提高，故我们选择方案二。(4) 控制核心与悬挂模块通信方式的选择方案一：采用有线传输方式，通过较长的线缆，直接将探测信号传回控制核 心，进行数据处理，作出运行控制决策。方案二：采用无线数传方式，通过无线模块，将整个系统分为探测部分和控 制部分两个模块， 将采集信号首先送到探测控制模块， 然后传回主控制器， 作出 运行决策。使用有线模块时，较多线缆会更多地

10、导致悬挂物体运行误差，考虑悬挂模块 在运行过程中的控制精度问题，我们最终选择无线数传方式。二、系统硬件设计及相关分析计算1直流伺服控制系统的设计与实现(1)含有局部反馈的直流伺服控制系统本设计采用 SPCE061A 内置的两路 PWM 输出实现了直流伺服控制系统的 PWM 控制。系统原理框图如图 4 所示。悬线长度检测反馈位置给定PWI减速直流电动机卜悬线仆控制对象(悬挂物)角位移 图4.直流伺服控制系统(2) 电动机传动系统本系统采用带有减速箱的直流电动机，电机额定工作电压12V,减速箱的减丄速比为30，输出力矩大于2400 (g cm),带轮的平均直径为12mm,故悬线牵 引力F拉min大

11、于4000g。题目要求悬挂物重量大于100g，因此足以满足系统要求， 并能使系统具有很大的加速度，增强了灵活性。(3) 电动机驱动为求硬件电路简化，电机驱动没有自行设计经典的 H型桥式电路，而是采用 专用电机驱动芯片L298的两路四个功率输出实现。电路工作过程： PWM输出 接C,当从MCU输出低电平到D，电动机正转；当从 MCU输出高电平到D， 电动机反转；其他情况，电动机停转。2 光电探测模块设计与实现在黑线寻迹和光电编码盘检测中分别使用了反射式和透射式光电传感器。 利用反射式光电传感器检测黑线的电路如图 5(c)所示，其示意图如图5(a) 所示。电路工作过程如下：当探测到黑线时，红外光电

12、二极管 U1发射出的光被 反射回来的强度很弱，光敏三极管无法导通，所以A点此时为高电平，通过带施 密特功能的反相器74HC14 MCU收到的信号是低电平。当探测到白色底板时，红 外光电二极管U1发射的光被反射回来的强度很强，光敏三极管导通，所以 A点 此时为低电平，通过74HC14 MCU攵到的信号是高电平。(a)(b)(c)图5.光电传感器原理图 利用透射式光电传感器检测光电编码盘，电路原理图如图5(c)所示，其示意图如图5(b)所示。其工作原理是通过编码盘阻隔红外二极管发出的光，每 当码盘转过一条缝时，光敏三极管就接收到一个信号。信号处理过程与反射式光 电传感器相同。3 局部闭环反馈模块设

13、计与实现为实现系统的闭环控制，设计一悬线检测校正模块来校正线长值，消除系统累计误差。悬线采用0.29mm漆包线，并定长剥出一段裸线。在悬线中部，使用 由图钉制作的检测开关，来检查导线上的裸线段，从而校正当前测量的线长值，消除累计误差，实现局部闭环控制反馈校正模块示意图如图6所示，悬线检测悬挂线z1.5k7IHC14TL0图7.悬线检测电路原理图4.无线数传模块控制核心模块与悬挂物之间通过无线方式协调工作。由于考虑到比赛时间限制，没有自行设计制作无线模块，而是直接采用市场上购买的 HAC-uM系列微 功率无线数传模块。该模块在视距情况下，可靠传输距离可达 500m,足以满足 系统要求。三、算法设

14、计与软件流程图为达到题目要求的控制精度和响应时间，我们针对各项功能设计相应的巧妙 算法。1 各部分软件算法设计 点到点运动算法当控制系统完成从当前位置到目的位置的点到点运动时（如图8所示），米用直接计算当前位置和目的位置左右两个电机线程差的办法实现控制（使用较小滑轮，滑轮半径r=10m m,忽略轮的半径带来的绕线误差）。设左右两个定滑轮中 心分别为A和B，悬挂物当前位置为C,目的位置为D。悬挂物处于当前位置时，根据勾股定理，左右线分别长：AC = .152(100 15)2式（1）BC 二(80 15)2(100 15)2式(2)已知左右滑轮间距离AB,当需要移动至目的位置 D（x,y）时：A

15、D = ,(x T5)2(115 - y)2式（3）BD =*(95 -x)2(115 - y)2式（4）于是得到左右两个电机的驱动距离差值：left =AD - AC式（5）right 二 BDBC式（6）圆周运动算法当控制悬挂物完成圆周运动时（如图 9所示），设左右两个定滑轮中心分别 为A和B，圆心为O,悬挂物当前位置为C,因为滑轮半径较小，因此忽略滑轮 半径r带来的绕线误差。因为悬挂物做圆周运动，因此图中的 AOB 一定，a角 和B角互补变化，其变化量大小决定画圆准确度。根据余弦定理，计算得到：AC2 二 A0 2 CO2 -2 AO CO cos:式（7）且有:在控制过程中, 圆心的圆

16、。式使a角按照一定精度值步进，最终在纸上将画出一个以0为15cm15anr=10jun图9.悬挂物圆周运动示意图r=10nn式(8)BC2 二 BO2 CO2 -2 BO CO cos 任意轨迹寻迹算法由于所寻黑线是任意绘制，因此将全段曲线微元化，截取足够短一小段直线， 如图10所示。在传感器尺寸设计时，充分考虑探测曲线的各种情况，使悬挂物 在有黑线区域，至少有一个光电传感器能探测到黑线。 系统寻迹算法如示意图所 示，每次探测均有一个主探测器（A），并且将屏蔽本次主探测器其后的三个探测 器（如图10 （c）所示），即每次使用8对光电传感器其中的5对。主探测器的确 定是在上一个状态探测时，记录探

17、测到黑线的探测器，并将它们相对当前主探测 器的角度偏移量取平均，从而得到下一个状态探测的主探测器。在寻迹过程中， 主探测器将随着黑线的方向不断变化，与此同时悬挂物也随着黑线运动。F1 D(a)GHABC(b)HGQ-被屏蔽的三对探测器FADE (C)图10.任意轨迹寻迹示意图2 软件流程图 主程序流程图主程序流程图如图11所示 悬挂物运动子程序流程图 悬挂物运动子程序流程图如图12所示 人工调零子程序流程图调零子程序流程图如图13所示图11.主程序流程图N图12.运动子程序流程图图13.人工调零子程序流程图四、系统测试1 测试条件测试时间：2005年9月10日星期六测试点环境温度：28 C2

18、测试仪器测试使用的仪器设备如表1所示。表1测试使用的仪器设备序号名称、型号、规格数量备注1DF1731SL1ATA型直流稳压电源1无2TDS1002数字存储示波器1无3CA1640P- 20型函数发生器1无4FLUKE 15B型万用表1精度为4丿2位5ZSD-803A型秒表1精度为1100s6PC机1In tel Celero n 2.4G, 256DDR3 点到点运动的测试测试数据及结果如表2所示。表2点到点运动测试结果实际 目的位置第一次第二次第三次时间停止位置时间停止位置时间停止位置(80,60)65s(79.8,60.2)67s(79.4,60.5)65s(79.8,60.5)(70,

19、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. 圆周运动的测试测试数据及结果如表3所示表3圆周运动测试结果圆心位置圆心偏差最大轨迹偏差时间(25, 25)9mm13mm57s（25，50）4mm12mm59s（50，25）7mm10mm62s5. 连续轨迹寻迹运动的测试测试数据及结果如表4所示表4连续轨迹寻迹测试结果寻迹序号最大偏差距离时间12mm37s21mm39s33mm42s6. 断续轨迹寻迹运动的测试测试数据及结果如表5所示表5断续轨迹寻迹测试结果寻迹序号最大偏差距离时间13mm47s25mm49s32mm49s7. 系统实现的功能整机测试指标完全达到题目要求，具体见表 6。因受竞赛场地、实际环境等 条件影响，各参数测试会因外界影响而略有