小球運動平臺控制系統的設計與實現

胡天鏈 梁艷陽 熊偉 西南科技大學信息工程學院 621010

小球運動平臺控制系統的設計與實現

胡天鏈 梁艷陽 熊偉 西南科技大學信息工程學院 621010

1 引言

小球運動平臺是一個多變量、非線性控制平臺，是球桿系統的二維擴展。其控制對象是具有兩個相互垂直的旋轉軸的平面板，控制的目標是讓一個自由滾動的小球能夠平衡在板上特定的位置或者沿一定的軌跡運動。平面板繞兩個轉軸的旋轉可分別由兩個電機驅動，通過傳感裝置得到小球在平面板上的位置后反饋給控制系統，控制系統采用一定的控制策略控制平面板在兩個轉軸方向的轉角，實現對小球在板上定點和軌跡運動的控制[1]。

小球運動平臺于上世紀90年代中期首先在捷克大學的羅克維爾控制實驗室搭建起來[2]。本世紀初，美國倫斯勒理工學院的學者通過設計新的驅動方式搭建了該系統并對動力學模型和控制方法進行了的探討[3]，其后，韓國和伊朗的研究人員也針對小球平面控制系統展開了研究[4-5]。2004年后，國內的清華大學和吉林大學先后分別在各自的實驗室實現了小球平面系統的物理裝置，初步研究了該系統動力學模型的特點并有針對性地進行控制算法的研究[1,6-7]。以上的設計機械結構都比較復雜，有必要在保持性能前提下對系統機械和信息反饋部件進行簡化。因此，本文主要從更簡潔有效的機械和電氣系統設計的角度出發，討論新型的小球運動平臺控制系統的設計和實現問題。

2 小球運動平臺控制系統的具體設計和實現

整個系統可分為六個模塊：主控單元、機構本體運動單元、電機驅動模塊、人機交互模塊、小球位置感知單元、通信單元。

2.1 主控單元

本設計采用主從機的方式設計。其中，主機負責處理240*64液晶模塊的菜單及圖形化顯示、PS/2鍵盤與鼠標的處理、觸摸屏坐標獲取以及數據的去噪處理，并將處理好的數據通過串行口（UART）發送給從機；從機則根據主機獲取的小球位置坐標信號，經過PID運算后分別對X、Y軸的傾角進行調整。整個系統的原理框圖如圖1所示。根據該原理框圖和系統總體設計思路，可以進一步設計系統的電路原理圖，如圖2所示。

圖1. 小球運動平臺控制系統原理圖

圖2. 系統總體架構

2.2 機構本體運動單元

如圖3所示為系統機械本體結構。注意到平板在X軸和Y軸兩個方向上的轉動分別由兩個電機驅動。其中，X軸和Y軸都選擇為2相、步進角為0.9/1.8deg的步進電機進行驅動。

根據電機轉速n1=60r/min和從動軸轉速n2=15r/min，可確定傳動比為4：1。因此，可選擇X和Y軸的傳動帶分別為HTD300-3M和HTD390-3M。

圖3. 機械系統示意圖

2.3 電機驅動單元

步進電機驅動原理如圖4所示。為了防止驅動電路的脈沖反饋回控制電路導致單片機復位或死機，使用光耦將控制部分和驅動器部分進行電氣隔離。通過改變比較匹配寄存器的值即可改變輸出頻率，從而實現可控頻率。根據脈沖頻率計算公式

其中，Fclk為系統時鐘頻率，N為定時器分頻值，OCR1A為比較匹配值。選取1024分頻，可求得產生頻率的范圍為

因此，步進電機的頻率響應范圍在0~2KHz，故可完全滿足要求。此外，在發生匹配時，可選擇觸發中斷。在中斷服務程序里對脈沖計數，當達到設定值時，關閉定時器，停止產生脈沖。

圖4. 步進電機驅動電路圖

2.4 人機交互單元

人機交互模塊如圖5所示。該模塊主要由240*64分辨率的自帶字庫圖形點陣液晶模塊（LCM）和鍵盤組成。LCM與單片機通過8位并行接口通信，配合UP、DOWN、LEFT、RIGHT四個按鍵，可進行菜單中動態圖形顯示、參數修改、數據保存等多種操作，實現友好的人機界面。

圖5. 人機交互接口模塊原理圖

2.5 小球位置感知單元

本設計僅利用AVR單片機內置的ADC（模數轉換器）實現對觸點實時位置的獲取。

如圖6所示，四線電阻觸摸屏由兩個透明的阻性層疊加而成，中間由很薄的透明絕緣支撐物隔開。每個阻性層都涂有均勻電阻質，在兩端形成電極，由導線引出。屏的頂端在外力達到一定值時發生形邊，與底層產生電氣接觸，此時可根據分壓器原理計算短接位置，換算成實際的坐標。

獲取觸點位置關鍵在于采樣數據的濾波處理。首先，在硬件設計層面上，通過在觸摸屏根引腳上加上瓷片電容可有效減小噪聲；在A/D采樣電路的參考電源端采取串磁珠、并濾波電容可以減小測量誤差。此外，在軟件處理層面上，可采用隊列平均濾波改進算法進行平滑處理。該種方法的優點在于：僅需要在初始化時填充隊列，而實時采樣中只需做兩次加法和移位運算，處理速度大大提高，且濾波效果較好，基本沒有大幅度的野點。

圖6. 四線電阻觸摸屏組成原理

2.6 通信模塊

由于采用主從機模式分別處理數據，必須通過通信接口進行數據交換。傳輸本系統使用異步串行口數據及指令通信；雙方均為TTL電平，且不需要遠距離數據。為簡潔起見，直接使用TTL電平的串行口傳輸，設置波特率為19200，每一幀由四位數據組成：幀頭、數據X、數據Y、幀尾。

通訊方式為一發（主機）多收（從機），即主機發送小球的實時坐標及各種動作指令，2個從機分別檢測幀頭、幀尾，并從中提取出各自的信息。為了縮短數據幀長度，這里將動作指令與幀頭幀尾字節復用。通信協議的命令字定義詳見表1。

3 系統聯調

以小球當前位置為原點，x和y的目標位置分別為10cm和20cm，可測試所設計的小球運動平臺控制系統的階躍響應性能。控制結果如圖7～8所示。其中，圖7表示小球在x方向和y方向的位置階躍響應情況。從圖中可見超調量約為10%，調節時間為0.7秒，上升時間約為0.2秒。圖8表示小球在整個平板上的運動軌跡，橫坐標為x方向位置，縱坐標為y方向位置。由于小球在x方向和y方向上都存在超調，所以小球的實際軌跡先經過圖8中的點(0. 1, 0.2)處，然后到達圖8中的右上頂點，最后穩定于點(0.1, 0.2)。

表1. 通信命令字

圖7. x方向和y方向的階躍響應

圖8.小球在平板上的運動軌跡

4 結束語

本文基于機械、電子和控制技術設計并實現了新型的小球運動平臺控制系統。該系統在PID控制下能實現小球沿平板上給定軌跡運動或定位于平板上任意給定位置。系統聯調結果表明所構造的小球運動平臺控制系統具有快速的響應和較高的位置控制精度，可以用于實驗室的控制理論教學實驗平臺，根據需要可對PID算法進行拓展，或基于此平臺研究其他更高性能的控制算法。

[1]王賡, 孫政順. 板球控制系統的PD型模糊控制算法研究[J]. 電氣傳動, 2004, 4: 23-25.

[2]J. Fuka, Z. Hanzalek. Rockwell automation technology in intensive trainiing course[M]. Prague: Rockwell Automation, Allen Bradley, 1998, 1-15.

[3]S. Awtar, C. Bernard, N. Boklund, et al. Mechatronic design of a ball-on-plate balancing system [J]. Mechatronics, 2002, 12(2): 217-228.

[4]J. H. Park, Y Jong Lee. Robust visual servoing for motion control of the ball on a plate [J]. Mechatronics, 2003, 13(7): 723-738.

[5]M. Moarref, M. Saadat, et al. Mechatronic design and position control of a novel ball and plate system [C]. Control and Automation, 2008 16th Mediterranean Conference on, 1071-1076.

[6]李軍, 孫政順. 模糊控制在板球系統中的仿真研究[J]. 電機與控制學報. 2001, 5(4): 270-274.

[7]H. Wang, Y. Tian, et al. Nonlinear control for output regulation of ball and plate system [C]. Control Conference, 2008. CCC 2008. 27th Chinese, 382-387.

Design and Implementation of Ball on Plate Motion Control System

HU Tian-lian, LIANG Yan-yang, XIONG Wei
（Department of Information Engineering, Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621000, China）

本文基于計算機控制技術、單片機技術、傳感器技術以及機電一體化技術，通過對主控系統、位置信息感知系統、驅動單元等模塊進行詳細的理論論證、設計與調試，設計并實現了一個小球運動平臺控制系統。該系統能自動獲取小球的位置和速度信息，根據設計好的運動控制算法改變平面的X、Y軸傾角，保證小球穩定運動并停留于平面上的任意給定參考位置。

小球運動平臺；運動控制；觸摸屏

Based on the computer control technique, single chip processor technique, transducer technique and electromechanical integration technique, a ball on plate system is designed and implemented through detailed theoretical discussion, design and tuning for modules such as the main control unit system, position information acquisition system and driving unit, etc. The system can automatically obtains position and velocity information of the ball and guarantees the ball arriving to and staying at any given reference position in the plate, by changing the angles in X and Y direction according to motion control algorithm.

ball on plate system；motion contro；ltouch-screen

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.16.076

西南科技大學博士研究基金（08zx0111）

胡天鏈（1981-），男，講師，四川綿竹人，從事機電一體化技術研究；

梁艷陽（1980－），男，副教授（博士），廣東陽江市人，從事非線性自適應控制；

熊偉（1984-），男，碩士研究生，河南信陽人，從事吊擺控制研究。