基于嵌入式技術(shù)的平臺(tái)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的建立與實(shí)現(xiàn)

高麗，施豪，張輝

（安徽師范大學(xué)皖江學(xué)院，安徽蕪湖，241000）

0 引言

控制傳輸裝置一直是人們研究的課題。從古代的滾木傳輸?shù)浆F(xiàn)在的機(jī)械傳輸，傳輸?shù)姆绞揭恢痹谧?，但是在定位傳輸方面卻進(jìn)展緩慢?，F(xiàn)如今，精確的定位傳輸更是時(shí)代發(fā)展的必須的產(chǎn)物，所以在次方向上展開(kāi)了大量的研究，產(chǎn)生了很多新型的方案。其中滾球控制裝置是具有高效，精確控制等優(yōu)點(diǎn)，該模型提供了新的傳送思想，因此具有良好的發(fā)展前景。

1 總體結(jié)構(gòu)

該滾球控制系統(tǒng)主要由矩陣鍵盤(pán)，紅外對(duì)管，嵌入式開(kāi)發(fā)板以及舵機(jī)等外設(shè)組成，該模型方案整體框架圖如圖1所示。

圖1 方案整體框架圖

用矩陣鍵盤(pán)輸入數(shù)字1～9對(duì)應(yīng)平面上的九個(gè)目標(biāo)位置。紅外對(duì)管主要用來(lái)采集小球的坐標(biāo)，根據(jù)采集的小球當(dāng)前位置和目標(biāo)位置的距離，通過(guò)單片機(jī)，利用PID算法計(jì)算出舵機(jī)的PWM值進(jìn)行控制，使小球朝著要求的目標(biāo)位置運(yùn)動(dòng)。

圖2 滾球控制模型示意圖

由于平板邊長(zhǎng)為40cm，且要求紅外對(duì)管要對(duì)整個(gè)平板進(jìn)行掃描定位小球位置，所以要求裝置底座結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，紅外對(duì)管密集且準(zhǔn)確(如圖2所示)。平板材料方面，選用平滑摩擦力小材料與舵機(jī)傳動(dòng)軸通過(guò)連桿連接，既能保證平面的穩(wěn)定，又可達(dá)到靈活控制目的。舵機(jī)選擇方面，既要保證推力夠大，能夠推動(dòng)平面實(shí)現(xiàn)控制小球移動(dòng)、以及小球到達(dá)目標(biāo)位置快速穩(wěn)定。我們將平面左上角作為坐標(biāo)系原點(diǎn)，平臺(tái)四角各放置一個(gè)舵機(jī)，利用舵機(jī)控制x、y軸可實(shí)現(xiàn)對(duì)平板各個(gè)方向傾斜的控制。

2 組件簡(jiǎn)介

2.1 STM32F103ZET6嵌入式開(kāi)發(fā)板

本次采用的是STM32F103ZET6，其是一款基于ARM Cortex-M 內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，主頻高達(dá)72M，程序存儲(chǔ)器容量是512KB。

2.2 舵機(jī)介紹及選用

本次搭建模型使用Futaba S3010舵機(jī)。此舵機(jī)響應(yīng)速度快，角度變化準(zhǔn)確，同時(shí)輸出電壓在6V時(shí)扭矩可以達(dá)到6.5+1.3[Kg.cm]。

3 模型實(shí)現(xiàn)介紹

3.1 定位方法

小球在平面上會(huì)遮擋紅外接收管接收紅外光，然后改變?cè)摻邮展艿碾娖?，我們通過(guò)掃描嵌入式開(kāi)發(fā)板的I/O電平獲取這些I/O口中的唯一高電平位置，然后通過(guò)實(shí)際換算得到小球的坐標(biāo)。

平面上有九個(gè)目標(biāo)位置，目標(biāo)位置的坐標(biāo)是已知的，我們通過(guò)矩陣鍵盤(pán)輸入目標(biāo)位置的序號(hào)，嵌入式開(kāi)發(fā)板就會(huì)得到相應(yīng)的目標(biāo)位置的坐標(biāo)。

圖3 獲取坐標(biāo)原理圖

3.2 舵機(jī)運(yùn)動(dòng)處理

在獲取小球位置和目標(biāo)位置的坐標(biāo)后，我們可以得到兩個(gè)坐標(biāo)之間的差值△x和△y，然后通過(guò)不斷地獲取之間的差值，使用增量式PID算法計(jì)算出每一個(gè)舵機(jī)的PWM值，控制平面的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而控制小球往目標(biāo)位置運(yùn)動(dòng)。

增量式PID算法：根據(jù)位置式PID控制公式，寫(xiě)出n-1時(shí)刻的控制量：

3.3 定位誤差分析及解決方案

在紅外對(duì)管布置稀少的時(shí)候，很容易發(fā)生小球位置丟失的情況發(fā)生，為了能一直采集到小球的位置，加大了紅外對(duì)管的密度，使每?jī)蓚€(gè)紅外對(duì)管之間的距離是小球的直徑。

4 程序及控制架構(gòu)

程序整體設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

在小球沒(méi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，紅外對(duì)管不斷的捕獲小球的位置，通過(guò)PID算法調(diào)整舵機(jī)的輸出占空比，以達(dá)到小球在目標(biāo)位置穩(wěn)定，完成此次控制。

5 裝置測(cè)試及結(jié)果分析

5.1 裝置測(cè)試顯示結(jié)果

顯示結(jié)果部分主要由四個(gè)部分組成。首先是鍵盤(pán)模塊輸入的目標(biāo)位置編號(hào)；我們?cè)谡麄€(gè)平面上預(yù)設(shè)9個(gè)目標(biāo)位置，分別用數(shù)字成1～9進(jìn)行標(biāo)號(hào)，便于直觀(guān)的顯示目標(biāo)位置的大致區(qū)域；接著是目標(biāo)位置編號(hào)對(duì)應(yīng)的預(yù)設(shè)坐標(biāo)位置；然后是紅外對(duì)管掃描到的小球位置。最后是本次控制是否成功的標(biāo)志。

圖4 程序流程圖

5.2 裝置分組測(cè)試及結(jié)果

為了確保該裝置能夠真實(shí)模擬實(shí)際環(huán)境，將測(cè)試環(huán)境設(shè)置為關(guān)閉照明燈，打開(kāi)窗簾，自然采光，避免陽(yáng)光直射的條件。

測(cè)試方案1：將小球放置平面上任意位置，鍵盤(pán)輸入目標(biāo)位置1，觀(guān)察小球能否到達(dá)目標(biāo)位置并穩(wěn)定。

測(cè)試方案1測(cè)試表

(10,10) (9.3,9.6) 0.7(10,10) (9.6,9.8) 0.4(10,10) (9.8,9.1) 0.9區(qū)域 目標(biāo)位置 測(cè)試位置 實(shí)際位置 絕對(duì)誤差目標(biāo)位置1 （10,10）

測(cè)試方案2：將小球放置平面上任意位置，鍵盤(pán)輸入目標(biāo)位置4，觀(guān)察小球能否到達(dá)目標(biāo)位置并穩(wěn)定。

測(cè)試方案2測(cè)試表

區(qū)域 目標(biāo)位置 測(cè)試位置 實(shí)際位置 絕對(duì)誤差(20,10) (20.6,9.1) 0.9(20,10) (21,8.7) 1.3(20,10) (19.4,10.7) 0.7目標(biāo)位置4 （20,10）

測(cè)試方案3：小球放置平面上任意位置，鍵盤(pán)輸入目標(biāo)位置7，觀(guān)察小球能否到達(dá)目標(biāo)位置并穩(wěn)定。

測(cè)試方案3測(cè)試表

區(qū)域 目標(biāo)位置 測(cè)試位置 實(shí)際位置 絕對(duì)誤差(30,10) (30.6,9.2) 0.8(30,10) (29.5.11) 1(30,10) (29.3,10.2) 0.8目標(biāo)位置7 （30,10）

5.3 裝置測(cè)試結(jié)果分析

上述測(cè)試結(jié)果表明該滾球控制系統(tǒng)能夠正確的實(shí)現(xiàn)小球穩(wěn)定停留目標(biāo)位置，但是多數(shù)情況可以精確的實(shí)現(xiàn)到達(dá)目標(biāo)位置。在顯示精度為2.5cm，實(shí)際測(cè)量精度為0.1cm的條件下實(shí)現(xiàn)了整體誤差小于2cm，

每次控制時(shí)間基本在30s以?xún)?nèi)?？傮w來(lái)說(shuō)該裝置具有高效，控制精度較高的優(yōu)點(diǎn)。

6 結(jié)語(yǔ)

該滾球控制裝置，在定位模塊上使用紅外定位，與其他定位方式相比，具有定位速度快、復(fù)雜程度低和功耗低等特性。同時(shí)在控制模塊使用舵機(jī)，具有控制精度高，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于新型的定位傳輸方式有一定新的開(kāi)拓與創(chuàng)新。同時(shí)在追求效率的時(shí)代，該裝置也為一些工業(yè)傳輸裝置的改進(jìn)有一定的啟示作用。