基于PID算法的板球控制系統(tǒng)設(shè)計

2018-06-19 03:19:48河北農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院齊天峰劉五一

電子世界 2018年11期

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院徐琳齊天峰劉五一

1.方案論證

1.1 方案的選擇

1.1.1 總方案的論證選擇

方案一：開環(huán)控制系統(tǒng)

由滾動摩擦公式，結(jié)合自己制作的平板通過測試計算得出具體的方程，又牛頓第二定律等物理知識得出平板上球從一點到另一點所需要的大概的傾斜角度、滾動時間等，再通過硬件調(diào)試調(diào)整這些參數(shù)，最終實現(xiàn)實驗任務(wù)。但其操作比較復(fù)雜，而且可靠性不強(qiáng)。

方案二：模糊控制理論

由于板球系統(tǒng)是一個典型的非線性系統(tǒng)，所以可以考慮使用模糊控制理論，建立模糊數(shù)學(xué)模型，代入程序中，調(diào)整參數(shù)，使之達(dá)到要求。但模糊數(shù)學(xué)理論比較復(fù)雜，數(shù)學(xué)模型難以建立。

方案三：PID算法控制：由攝像頭得到小球位置，與選定位置做對比，通過PID調(diào)節(jié)，調(diào)整參數(shù)，使小球到達(dá)選定的位置。它兼顧了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，是一套有效的算法。

綜合考慮由于PID原理簡單、使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)，而且易于實現(xiàn)，所以我們決定使用方案三。

1.1.2 控制模塊的論證選擇

方案一：采用傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)

STC89C52是的一種低功耗、CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。用傳統(tǒng)51單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控核心。方便調(diào)試，軟件編程相對容易，價格低廉，但其運算速度慢，片內(nèi)資源少，存儲容量小，難以實現(xiàn)復(fù)雜的算法

方案二：采用STM32f103

具有專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cortex-M內(nèi)核，該系列為Cortex-M3內(nèi)核，最高工作頻率72MHz，內(nèi)置32K到128K的閃存，相比51系列性能大幅度提升。可以滿足該實驗的要求。

方案三：采用STM32f407

相比STM32f103，該型號單片機(jī)采用Cortex_M4內(nèi)核，最高工作頻率168M,主頻帶DSP，不少的集成外設(shè)被加強(qiáng)，比如GPIO本身407可有較多的功能選擇，而且存儲器的Flash和

SRAM加大了很多。相比方案二更優(yōu)。

通過比較，我們選擇控制模塊選擇方案三。

1.1.3 傳感模塊

方案一：OV7670

OV7670，圖像傳感器，體積小，工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能。通過SCCB總線控制，可以輸入整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率8位影像數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品VGA圖像最高達(dá)到30幀/秒。用戶可以完全控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式。所有圖像處理功能過程包括伽瑪曲線、白平衡、飽和度、色度等都可以通過SCCB接口編程。OmmiVision圖像傳感器應(yīng)用獨有的傳感器技術(shù)，通過減少或消除光學(xué)或電子缺陷如固定圖案噪聲、托尾、浮散等，提高圖像質(zhì)量，得到清晰的穩(wěn)定的彩色圖像。

方案二：OV2640

相對于方案二的OV7670，OV2640擁有以上優(yōu)點，而且像素更高，達(dá)到200萬像素，可視區(qū)域更大，相較OV7670更能滿足實驗需求。

通過比較我們傳感模塊選擇方案二。

1.1.4 驅(qū)動模塊

方案一：舵機(jī)

舵機(jī)最小轉(zhuǎn)動角較大，控制不夠精確，不能滿足實驗的要求。

方案二：步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機(jī)，在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，可定長定速控制。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到精準(zhǔn)控制的目的。控制比較精確，但是由于它轉(zhuǎn)速過快，使得平板不夠穩(wěn)定。

方案三：減速電機(jī)

減速電機(jī)是指減速機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的集成體。電機(jī)提供的是高速轉(zhuǎn)速，但力矩小、慣性大，減速器的功能則是降低轉(zhuǎn)速、提升扭矩、降低慣性，達(dá)到理想的轉(zhuǎn)速和力矩，配合編碼器之后也可以實現(xiàn)定長定速控制。所以它可以使小球比較穩(wěn)得在平板上運動，滿足實驗的要求。

通過比較我們驅(qū)動模塊選擇方案三。