懸掛式定位實驗系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李 真, 彭輝麗, 余善恩, 孫偉華, 陳張平(杭州電子科技大學(xué) . 自動化學(xué)院； . 理學(xué)院， 杭州 310018)

0 引 言

運(yùn)動控制實驗是高校的一門綜合性實驗課程，它把電機(jī)學(xué)、自動控制理論等多門課程融合在一起。在以往運(yùn)動控制相關(guān)的實驗教學(xué)中，學(xué)生們往往被要求按照設(shè)計好的方法來實現(xiàn)某種功能，這既不利于學(xué)生發(fā)揮想象力與創(chuàng)造力，也不利于學(xué)生真正掌握實驗內(nèi)容的精髓。針對這種情況，本課題設(shè)計了一種能讓學(xué)生充分發(fā)揮創(chuàng)造力的懸掛式定位實驗系統(tǒng)。該懸掛式定位實驗系統(tǒng)能控制被控物體在一定的區(qū)域內(nèi)完成各種精確的運(yùn)動，即通過兩個步進(jìn)電動機(jī)控制一個質(zhì)量不小于100g的物體在傾斜的木板上完成規(guī)定運(yùn)動。通過這個實驗系統(tǒng)的教學(xué)，可以讓學(xué)生掌握步進(jìn)電動機(jī)的控制方法、鞏固和加強(qiáng)C語言基礎(chǔ)以及發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造力[1]。

1 懸掛式定位實驗系統(tǒng)整體架構(gòu)

整個系統(tǒng)由主控芯片、步進(jìn)電動機(jī)及其驅(qū)動、觸摸屏、循跡傳感器等4部分組成。如圖1所示，當(dāng)實驗操作者通過觸摸屏選擇運(yùn)動模式并輸入坐標(biāo)后，控制器便控制左右兩邊的步進(jìn)電動機(jī)作出相應(yīng)的動作，直到完成該運(yùn)動。若是選擇了循跡運(yùn)動模式，則控制器還會根據(jù)循跡傳感器反饋回來的信息來作出相應(yīng)的命令。當(dāng)完成每種運(yùn)動時，會有相應(yīng)的燈光提示[2-3]。

圖1 懸掛式定位實驗系統(tǒng)原理框圖

2 懸掛式定位實驗系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件模塊化設(shè)計

本實驗系統(tǒng)需要用到的硬件資源有單片機(jī)最小系統(tǒng)、TFTLCD模塊、步進(jìn)電動機(jī)及其驅(qū)動器、循跡傳感器電路和電源。單片機(jī)最小系統(tǒng)用于對外設(shè)的控制和數(shù)據(jù)運(yùn)算；LCD模塊提供人機(jī)交互的功能；步進(jìn)電動機(jī)及其驅(qū)動器實現(xiàn)對物體的運(yùn)動控制；循跡傳感器電路用于物體探測黑線；電源則為所有設(shè)備供電。下面對每個模塊的方案進(jìn)行詳細(xì)地介紹[4]：

(1) 控制器的選擇。STM32單片機(jī)是意法半導(dǎo)體公司專為嵌入式應(yīng)用所設(shè)計，基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位高性能單片機(jī)。其中的STM32F103系列則是屬于“增強(qiáng)型”系列，其時鐘頻率高達(dá)72MHz，是“基本型”STM32F101系列時鐘頻率的兩倍。本設(shè)計選用STM32F103的優(yōu)勢體現(xiàn)在：價格實惠，其價格與市場上的8位機(jī)相當(dāng)；它的性能自然也能夠滿足本設(shè)計的需求；在網(wǎng)上也有許多相關(guān)資料及應(yīng)用案例，為使用者帶來了很大的方便[5-6]。

(2) 電動機(jī)方案的選擇。從設(shè)計要求出發(fā)，所選擇的電動機(jī)應(yīng)該具備以下特點：可以準(zhǔn)確控制電動機(jī)轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，比如轉(zhuǎn)過1/4圈，1/2圈，1圈等；力矩不能太小，且轉(zhuǎn)速不能太快，否則在調(diào)試時會很不方便；可以工作在頻繁的換向、啟停條件下。

通過比較，本設(shè)計采用步進(jìn)電動機(jī)，雖然步進(jìn)電動機(jī)是開環(huán)控制，但通常情況下其精度非常高，能滿足伺服系統(tǒng)的精度要求。步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與給定脈沖的頻率有關(guān)，而給定脈沖的數(shù)量則決定了步進(jìn)電動機(jī)的停止位置。例如輸入脈沖頻率為1 kHz時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速為n1，當(dāng)輸入脈沖頻率為2 kHz時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速就會增加到n2。再比如一個每轉(zhuǎn)需3 600脈沖的步進(jìn)電動機(jī)，在沒有細(xì)分和失步的情況下，當(dāng)給定900個脈沖，電動機(jī)就會精確地轉(zhuǎn)過1/4圈。簡而言之，輸入一個脈沖，電動機(jī)就會轉(zhuǎn)過一個步距角。不同電動機(jī)的步距角不一樣，通常有1.8°，0.9°等類型。

(3) 循跡傳感器。本設(shè)計采用反射式光電傳感器ST188尋跡。ST188的示意圖如圖2所示。傳感器上集成了紅外發(fā)射管和紅外接收管，其中C、E是接收管的引腳，A、K是發(fā)射管的引腳。當(dāng)傳感器探測到黑線時輸出低電平，反之輸出高電平。在畫筆的四周按規(guī)律安裝若干個該傳感器，根據(jù)傳感器狀態(tài)就能判斷出黑線相對于畫筆的位置，從而做出相應(yīng)的運(yùn)動[7]。

本設(shè)計最終采用3個這樣的傳感器，以畫筆為中心，每個間隔120°均勻地分布在畫筆四周，示意圖如圖3所示。3個傳感器可以表示8種不同的位置，真值表見表1。為每種狀態(tài)編寫相應(yīng)的控制程序，即可實現(xiàn)循跡運(yùn)動。例如0,1,1這種狀態(tài)，說明黑線此時處于畫筆的正上方，那么就應(yīng)該控制電動機(jī)使物體向上運(yùn)動，以此類推。

圖2 ST188示意圖 圖3 傳感器安裝示意圖

表1 傳感器真值表

(4) 人機(jī)交互方案的設(shè)計。本設(shè)計采用的是可視化圖形界面+2.8寸電阻觸摸屏來完成人機(jī)交互。采用ucGUI技術(shù)制作圖形界面，效果圖如圖4、5所示。ucGUI是一種嵌入式應(yīng)用中的圖形支持系統(tǒng)，它能夠為任意型號的LCD顯示器提供有效的圖形用戶接口，且這種接口與處理器和LCD控制器的型號無關(guān)，也就是說它是獨立的[8-9]。

圖4 主界面 圖5 畫圓運(yùn)動界面

用ucGUI設(shè)計出上圖所示的界面后，再配合觸摸屏功能，就可以帶來非常便捷人性的操作。比如實驗員現(xiàn)在想實現(xiàn)畫圓運(yùn)動，那么只需在主界面窗口點擊“Draw Circle”按鈕，再在彈出來的畫圓運(yùn)動界面窗口的編輯框內(nèi)輸入圓心坐標(biāo)，最后點擊“START”按鈕，就可以觀察實驗現(xiàn)象了[10]。

(5) 電動機(jī)驅(qū)動器設(shè)計。最后介紹電動機(jī)驅(qū)動器TB6600模塊。TB6600是一款步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動IC，它可以控制兩相步進(jìn)電動機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且有6種細(xì)分模式可供選擇(1,2,4,8,16,32細(xì)分)。這6種細(xì)分模式可以通過模塊上的3位撥碼開關(guān)來選擇。此模塊還能實現(xiàn)8檔的電流控制，這是用另外3位撥碼開關(guān)來選擇的。驅(qū)動器允許的最大輸出電流是5 A，最大輸入電壓為40 V。這個模塊與單片機(jī)的接法為共陽極接法或共陰極接法。共陽極接法是指將模塊的PUL+、DIR+和EN+都接高電平，而PUL-接單片機(jī)的脈沖輸出信號，DIR-單片機(jī)的方向控制引腳，EN-接單片機(jī)的使能引腳；共陰接法是指PUL+、DIR+和EN+都接地。兩種接法的示意圖如圖6、7所示[11]。

圖6 共陽極接法

圖7 共陰極接法

2.2 重要硬件電路的分析

一般而言，控制器與外設(shè)進(jìn)行通信需要3類總線：地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。單片機(jī)和TFTLCD之間的通信也是如此。本系統(tǒng)所使用的顯示屏與單片機(jī)通過16 bit并行口傳輸數(shù)據(jù)，用一個片選引腳來選中顯示屏，而控制總線共有5根，分別是LCD_WR、LCD_RD、RST、LCD_RS和LCD_BL。LCD_WR是顯示的寫信號；LCD_RD是讀信號；RST是復(fù)位信號；LCD_RS是命令/數(shù)據(jù)選擇引腳(為0時代表讀寫命令字，為1時代表讀寫數(shù)據(jù))；LCD_BL控制顯示屏的背光。如果要用到觸摸屏功能，則還需要用到另外5根信號線(見圖8中標(biāo)號為T開頭的幾個腳)。利用這些信息就可以畫出LCD與單片機(jī)連接的電路圖(見圖8)。

圖8 TFTLCD原理圖

3 懸掛式定位實驗系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 使物體到達(dá)指定位置的方案

為了實現(xiàn)這一目的，需要對系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。由圖9可見，物體在任意位置時都與兩個定滑輪構(gòu)成兩個直角三角形。設(shè)物體的坐標(biāo)為(x，y)，物體到左滑輪的繩長為a，到右滑輪的繩長為b，那么由圖9所示的兩個勾股關(guān)系可以列出：

a2=(x+15)2+(115-y)2

(1)

b2=(95-x)2+(115-y)2

(2)

當(dāng)物體從原點出發(fā)，要求到達(dá)指定坐標(biāo)時，相當(dāng)于上式中的x、y已知，代入式中就可以求點目標(biāo)點對應(yīng)的a1、b1。而物體處于原點時的左右繩長a0、b0是固定且已知的，因此由a1-a0，b1-b0就可以得到左右兩邊電動機(jī)應(yīng)該放出或者收回的繩長。再將繩長除以套在電動機(jī)軸上的繞線裝置的周長，便可計算出左右電動機(jī)需要轉(zhuǎn)過的圈數(shù)。這樣就實現(xiàn)了物體從原點到指定位置的運(yùn)動[12]。

圖9 系統(tǒng)示意圖

3.2 獲取物體實時坐標(biāo)的方案

這一問題的答案實際是上一個問題的逆運(yùn)算。物體由原點出發(fā)向目標(biāo)點運(yùn)動的過程中，a、b的值是已知的，因此將a、b代入式(1)、(2)中即可解出：

3.3 畫出光滑圓的方案

眾所周知，當(dāng)一段圓弧的弧長足夠小時，可以用一段線段來替代這段圓弧。同理，為了畫出軌跡光滑的圓，可以將這個圓劃分成無窮多等分，每一段圓弧都用一段線段來替代。實際上雖然不可能做到無窮等分，但只要等分?jǐn)?shù)足夠大，就可以畫出足夠光滑的圓。在調(diào)試時，可以將直徑(50 cm)等分成30 000份，相當(dāng)于將圓周細(xì)分成60 000份(不是均勻的)。那么物體每次運(yùn)動橫坐標(biāo)的變化量Δx=50/30 000。再根據(jù)每個象限的圓的標(biāo)準(zhǔn)方程，就可以得到下一次運(yùn)動的縱坐標(biāo)。

假設(shè)每次畫圓運(yùn)動都是從圖10中三角形位置開始逆時針運(yùn)動，那么由圓的標(biāo)準(zhǔn)方程(x-a)2+(y-b)2=R2可以得到4個象限中每次運(yùn)行的縱坐標(biāo)方程(其中a、b是圓心坐標(biāo))。

第4象限：

(3)

第1象限：

(4)

第2象限：

(5)

第3象限：

(6)

式中,n都是從0變化到15 000。這樣就得到了每次運(yùn)動的坐標(biāo)x和y。

圖10 畫圓運(yùn)動示意

3.4 人機(jī)交互界面的程序設(shè)計

要建立類似圖4和圖5的窗口，必須要用到視窗管理器(The Window Manager,WM)。視窗管理器能幫助設(shè)計者方便地建立、修改、刪除、移動窗口或其他操作，這是因為WM封裝了一系列的相關(guān)函數(shù)。表2列出了所有的WM API函數(shù)。

表2 WM API函數(shù)列表

采用上表中的函數(shù)，就可以用ucGUI實現(xiàn)類似圖4和圖5的界面了。從圖4可以看出，主界面一共有4個按鈕控件和5個文本控件，可以將這些控件的信息全都封裝在一個結(jié)構(gòu)體數(shù)組my1_aDialogCreate[]里，這些信息包括文本內(nèi)容、文本字體、文本位置、窗口大小等。根據(jù)設(shè)計要求，這幾個按鈕控件必須支持點擊事件，即通過觸摸屏點擊按鈕時可以觸發(fā)事件從而實現(xiàn)某種功能(ucGUI定義了若干種事件，詳細(xì)內(nèi)容請參考用戶手冊)，因此在回調(diào)函數(shù)void my1_cbCallback()中必須要有這幾個按鈕按下后所對應(yīng)消息的處理程序。因為每一個控件都有一個獨一無二的ID，所以可以用switch語句來判斷是哪個按鈕被按下，并且在相應(yīng)的case里編寫處理程序[13]。

3.5 步進(jìn)電動機(jī)的控制程序

要實現(xiàn)設(shè)計要求中的各種任務(wù)，關(guān)鍵是設(shè)計出一種對步進(jìn)電動機(jī)的控制算法。例如要控制物體向上作直線運(yùn)動，那么左右兩個步進(jìn)電動機(jī)應(yīng)該同時收回相同的繩長。下面逐一分析實現(xiàn)各種運(yùn)動程序[14]。

首先是定點運(yùn)動。前文3.1小節(jié)已經(jīng)分析了如何計算某一點坐標(biāo)所對應(yīng)的物體到左右滑輪的繩長a和b，因此這里只給出代碼實現(xiàn)：

a=sqart((x+15)·(x+15)+(115-y)·(115-y))

b=sqart((95-x)·(95-x)+(115-y)·(115-y))

這段程序計算出了繩長的絕對值，將a，b分別減去物體處于原點時的左右繩長a0、b0，就得到了兩邊的電動機(jī)該收放的繩長。如果相減的值是正數(shù)，代表電動機(jī)應(yīng)放出繩子，如果相減的值是負(fù)數(shù)，則代表應(yīng)收回繩子。可以用一個if語句來實現(xiàn)這個功能：

if((a-a0)〉0) dir_l=0; //相減為正，左電動機(jī)順時針轉(zhuǎn)放出繩子

else dir_l=1; //否則逆時針轉(zhuǎn)收回繩子

dir_l代表左邊電動機(jī)的方向控制引腳。現(xiàn)在已經(jīng)算出兩邊電動機(jī)要收放多少繩長，那么如何轉(zhuǎn)換成給定脈沖數(shù)呢？首先需要知道電動機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要給多少個脈沖，本文使用的步進(jìn)電動機(jī)步進(jìn)角為1.8°，驅(qū)動器設(shè)定成32細(xì)分，轉(zhuǎn)一圈要給3 200個脈沖。本設(shè)計在電動機(jī)軸上還套了一個繞線裝置(一個柱狀物體)，其周長為7.7 cm。因此繩長(length)與脈沖數(shù)(pulse)滿足下列關(guān)系：

pulse=length/7.7×3 200

有了脈沖數(shù)和旋轉(zhuǎn)方向，就可以控制步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動了。可以編寫一個函數(shù)來實現(xiàn)這個功能，函數(shù)的參數(shù)應(yīng)包括脈沖頻率、轉(zhuǎn)動方向、給定的脈沖數(shù)等。本設(shè)計編寫的函數(shù)原型如下:

void control(pinlv,u16 dir_l,u16 dir_r,u32 pulse_l,u32 pulse_r)；

其中:pinlv表示脈沖的頻率；dir_l,dir_r分別代表左、右步進(jìn)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向；pulse_l,pulse_r分別代表給左右電動機(jī)的脈沖數(shù)。

至于畫圓運(yùn)動和循跡運(yùn)動在前文已經(jīng)詳細(xì)介紹過原理，對電動機(jī)的控制程序也和上面的類似，只要調(diào)用control()函數(shù)就能實現(xiàn)[15]。

4 懸掛式定位實驗系統(tǒng)測試及分析

在實現(xiàn)所有的設(shè)計要求后還需對整體功能進(jìn)行測試和優(yōu)化，測試過程如下：

(1) 測試能否設(shè)定目標(biāo)位置。 這一功能比較容易實現(xiàn)，而且因為是用觸摸屏來輸入目標(biāo)位置，所以基本不會出現(xiàn)問題。事實也證明了這一點，在上百次的調(diào)試過程中，只要觸碰準(zhǔn)確，都能成功地選擇運(yùn)動模式及輸入目標(biāo)位置的坐標(biāo)。

(2) 測試物體是否能在一定時間內(nèi)到達(dá)任意設(shè)定的坐標(biāo)。為了測試這一功能，對實驗系統(tǒng)進(jìn)行了20次試驗，實現(xiàn)最復(fù)雜的路徑用時均在50 s以內(nèi)，符合預(yù)期。

(3) 測試到達(dá)目標(biāo)位置時偏差是否小于2 cm。由于物體處于原點時距離左右滑輪的繩長、繞線裝置的周長等數(shù)據(jù)都是手工測量，存在測量誤差，因此在一開始測試時發(fā)現(xiàn)偏差較大，遠(yuǎn)不止2 cm。后來通過多次測量取平均值的方法，增加了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。得到最終的偏差在2 cm以內(nèi)。

(4) 測試物體是否能準(zhǔn)確的在任意位置畫出直徑為50 cm的圓。為了保證在任意位置都能實現(xiàn)這個功能，在木板上不同坐標(biāo)位置均勻地取了9個點作為圓心，觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn)，物體在這些點都能畫出光滑且準(zhǔn)確的圓。準(zhǔn)確率是非常高的。

(5) 測試是否能夠準(zhǔn)確沿黑線運(yùn)動。測試方法是在木板上用黑膠帶隨機(jī)地貼出幾段黑線，看物體能否沿這些黑線運(yùn)動。對此也試驗了10次，有1次因為曲線轉(zhuǎn)彎角度過大而脫離黑線，剩余9次都成功完成，所以成功率大致為90%。

綜上，本系統(tǒng)較好地完成了設(shè)計目標(biāo)。圖11和12所示是整個系統(tǒng)的實物圖。

圖11 系統(tǒng)整體實物

圖12 硬件系統(tǒng)細(xì)節(jié)圖

5 結(jié) 語

本懸掛式定位實驗系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)作為主控芯片實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)運(yùn)算以及對物體運(yùn)動軌跡的控制；采用TB6600步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器模塊驅(qū)動兩個步進(jìn)電動機(jī)，以實現(xiàn)對步進(jìn)電動機(jī)的細(xì)分、啟停等控制；采用紅外光電傳感器ST188作為循跡傳感器來實現(xiàn)循跡運(yùn)動；采用基于ucGUI制作的觸摸屏界面來實現(xiàn)人機(jī)交互。該實驗系統(tǒng)更加貼合實際的應(yīng)用技術(shù)，讓學(xué)生在掌握步進(jìn)電動機(jī)控制方法的同時，也可以通過程序設(shè)定不同的運(yùn)動軌跡，鞏固和加強(qiáng)C語言等相關(guān)知識，發(fā)掘了學(xué)生的創(chuàng)造力。該實驗系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于教學(xué)，反應(yīng)良好。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 朱藝鋒, 鄭 征, 余發(fā)山,等. 專業(yè)課程“運(yùn)動控制系統(tǒng)”的課堂教學(xué)方法探析[J]. 實驗室研究與探索, 2013，32(11)：374-376.

[2] 武 林. 三維懸掛物體運(yùn)動控制系統(tǒng)[J]. 浙江師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2007, 30(2):171-175.

[3] 吳秀清.微型計算機(jī)原理 [M].北京：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2002:7.

[4] 劉 軍.例說STM32[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.4

[5] 朱向慶, 胡均萬, 陳宏華,等. 多功能單片機(jī)實驗系統(tǒng)的研制[J]. 實驗室研究與探索, 2012, 31(4):41-44.

[6] 余善恩, 李真, 陳張平,等. 基于校園一卡通的開放實驗室節(jié)能系統(tǒng)研究[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2016, 33(12):263-265.

[7] 陳 杰.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2002：2.

[8] 王永虹.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[9] 王蘭英. 基于STM32嵌入式系統(tǒng)的uCGUI移植與實現(xiàn)[J]. 四川理工學(xué)院學(xué)報(自科版), 2012, 25(1):56-58.

[10] 隆 玲，徐海賢，黃彬武.UCGUI在STM32F107上的移植[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2015(8)：133-134.

[11] 朱曉明, 李 欣, 張淑芝,等. 運(yùn)動控制中電動機(jī)速度跟蹤曲線教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2013(11):111-114.

[12] 史成城, 謝麗蓉, 張 丹. 運(yùn)動控制系統(tǒng)實驗軟件開發(fā)平臺[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2013, 30(1):119-121.

[13] 孫 佳, 許少倫, 姜建民. 運(yùn)動控制系統(tǒng)創(chuàng)新實踐平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 實驗室研究與探索, 2013, 32(2):77-80.

[14] 潘海鴻, 黃炳瓊, 秦鋼年,等. 具有重組功能模塊化的機(jī)電一體化綜合實驗平臺研制[J]. 實驗室研究與探索, 2008, 27(9):50-52.

[15] Ahaiwe J. Digital image processing:An overview of computational time requirement[J]. International Journal of Engineering Sciences & Research Technology, 2013, 2(8):2148-2152.