板球軌跡跟蹤控制器設(shè)計(jì)

韓沛宇 陳德麟 王 碩

沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 遼寧 沈陽(yáng) 110136

0 前言

板球軌跡控制系統(tǒng)的的研究開(kāi)始于上世紀(jì)八十年代末期，國(guó)內(nèi)的學(xué)者開(kāi)始將板球控制系統(tǒng)作為驗(yàn)證控制算法的一種平臺(tái)。針對(duì)該研究，目前國(guó)內(nèi)的研究狀況是清華大學(xué)模糊控制教研組于2000年前后開(kāi)始對(duì)板球控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，提出了板球系統(tǒng)的T-S模糊控制方案，并在仿真環(huán)境下進(jìn)行了軌跡規(guī)劃和跟蹤實(shí)驗(yàn)，之后開(kāi)發(fā)了基于視覺(jué)的板球控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)控制器并實(shí)現(xiàn)了對(duì)板球的穩(wěn)定控制。

1 PID控制的基本理論

本系統(tǒng)主要應(yīng)用PID算法來(lái)計(jì)算由電阻屏感應(yīng)得到的位置與小球初始位置的偏差，并將信息傳給單片機(jī)，進(jìn)一步改變輸出PWM的波形，從而控制舵機(jī)的偏角來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)軌跡的跟蹤。因此PID控制是該課題研究的理論基礎(chǔ)。該系統(tǒng)的閉環(huán)控制框圖如圖1所示，其中由PID控制器能夠輸出對(duì)應(yīng)的PWM參數(shù)進(jìn)而控制舵機(jī)偏角。

圖1 板球系統(tǒng)的閉環(huán)控制框圖

由于本系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)比例和微分環(huán)節(jié)的系數(shù)就可以較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)小球軌跡的控制，因此不用調(diào)節(jié)積分項(xiàng)。

2 板球控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

板球控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)基本組成框圖如圖2所示。

圖2 板球控制系統(tǒng)硬件總體框圖

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用的方案如下。本課題設(shè)計(jì)的板球控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。單片機(jī)ST M32作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，根據(jù)接收到的各類(lèi)信號(hào)進(jìn)行分析判斷，產(chǎn)生合適的PWM波形傳給舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊并驅(qū)動(dòng)舵機(jī)。舵機(jī)根據(jù)單片機(jī)所產(chǎn)生的PWM波形來(lái)控制平板的傾角。檢測(cè)模塊為電阻檢測(cè)屏，用來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)小球的位置，并將信息傳送給主控核心ST M32單片機(jī)。顯示模塊LCD12864用來(lái)顯示小球所在的位置。

3 板球控制系統(tǒng)硬件電路的工作原理

3.1 ST M32模塊 該貨物抓取機(jī)器人選擇的是ST M32F103 RBT6作為主控板，其中ST M32的型號(hào)眾多，我們選擇這個(gè)型號(hào)的原因是看重其性價(jià)比，該芯片含有128K的FLASH、20K的SRAM、2個(gè)SPI、3個(gè)串口、1個(gè)USB、1個(gè)CAN、2個(gè)12位的ADC、RTC和51個(gè)可用IO腳。

3.2 板球控制系統(tǒng)檢測(cè)模塊 本系統(tǒng)選擇電阻觸摸屏作為檢測(cè)模塊的主要硬件。

該電阻觸摸屏的工作原理主要是通過(guò)壓力感應(yīng)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)屏幕內(nèi)容的操作和控制的，這種觸摸屏屏體部分是一塊與顯示器表面非常配合的多層復(fù)合薄膜。當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)，平常相互絕緣的兩層導(dǎo)電層就在觸摸點(diǎn)位置有了一個(gè)接觸，因其中一面導(dǎo)電層接通Y軸方向的5 V均勻電壓場(chǎng)，使得偵測(cè)層的電壓由零變?yōu)榉橇?，控制器偵測(cè)到這個(gè)接通后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將得到的電壓值與5 V相比，即可得觸摸點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)，同理得出X軸的坐標(biāo)。

3.3 板球控制系統(tǒng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 本系統(tǒng)采用L M2596芯片來(lái)對(duì)兩個(gè)舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。L M2596模塊是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3 A的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性?？烧{(diào)節(jié)輸出小于37 V的各種電壓。

3.4 顯示屏模塊 選擇LCD12864顯示屏作為顯示模塊的主要硬件。LCD電子顯示屏是一種通過(guò)控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示方式，是由幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光二極管像素點(diǎn)均勻排列組成。它利用不同的材料可以制造不同色彩的LCD像素點(diǎn)，以顯示文字、數(shù)字、圖形等各種信息的顯示屏幕。

4 結(jié)論及進(jìn)一步設(shè)想

本文設(shè)計(jì)了一種基于PID控制方案使板球系統(tǒng)進(jìn)行軌跡跟蹤控制。本次實(shí)驗(yàn)所采取的控制方案在提高控制算法的執(zhí)行效率、降低功耗的同時(shí)，能很好的改善板球系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能。

基于目前的研究工作及在實(shí)物板球系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題還可從如下幾個(gè)方面進(jìn)行研究:

(1)建立板球系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，可以把系統(tǒng)的耦合特性、小球與球盤(pán)之間的摩擦力考慮在內(nèi)，得到更為精確的數(shù)學(xué)模型，為以后對(duì)系統(tǒng)的仿真研究和為更多的控制算法研究奠定基礎(chǔ)。

(2)本文只進(jìn)行了板球系統(tǒng)位置控制和定軌跡跟蹤控制的初級(jí)研究，在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，可以嘗試跟蹤更復(fù)雜的軌跡曲線或者對(duì)小球在球盤(pán)上的避障控制進(jìn)一步研究。