基于磁場檢測的板球控制系統

甘富升 黃傳容 西南科技大學

1. 背景技術

控制理論的研究隨著科學技術的飛速向前發展，當今以穩定、精確快速跟蹤為主要方向的位置伺服系統，在非常多的領域得到了特別廣泛的應用，現在各種交叉領域的相互聯系與滲透，都對控制系統與控制理論的日益創新、蓬勃發展起到了至關重要的關系。目前通過模糊控制、系統辨識與自適應控制、神經網絡控制等等新的方法實現了解決目標軌跡精確跟蹤等復雜問題的方法，對機器人控制、航空航天控制以及軍用機械相關起到了重要的作用。

板球系統作為傳統的桿球系統的擴展，是一種典型的不穩定、強耦合、多輸入輸出(MIMO)的非線性控制系統，在板球系統的控制研究中也涉及了許多關于定點控制、穩定控制、軌跡跟蹤、路徑規劃及繞障控制等問題，其涉及面廣泛且有許多問題待以研究和解決，它是控制理論研究的一個經典對象，存在著各種各樣的挑戰與問題，故對板球控制系統的相關研究具有很重要的意義。

2. 系統概述

針對現有技術中的上述不足，提供的一種基于磁場檢測的板球控制系統，解決了金屬小球在平衡板上可以從任意起點到達任意終點的問題。

為了達到以上目的，采用的技術方案為：

本方案提供一種基于磁場檢測的板球控制系統，包括機械子系統和控制子系統，其中，所述機械子系統包括金屬小球、底座、平衡板、萬向節、舵機和支架，所述舵機安裝在所述底座上，并通過所述萬向節與所述平衡板連接，所述平衡板通過所述萬向節安裝在所述支架上，所述金屬小球位于所述平衡板上，所述控制子系統包括電源模塊、控制器、磁場定位裝置、姿態傳感器、按鍵模塊和顯示模塊，所述控制器的信號輸入端連接至所述按鍵模塊，所述控制器的信號輸出端連接至所述舵機的信號輸入端，所述磁場定位裝置的信號輸出端分別連接至所述顯示模塊的信號輸入端和所述控制器，所述姿態傳感器的輸出端與所述控制器連接，所述電源模塊分別與所述控制器、磁場定位裝置、姿態傳感器、按鍵模塊和顯示模塊電性連接，所述控制器、顯示模塊和電源模塊均安裝在所述底座上，所述磁場定位裝置和姿態傳感器均安裝在所述平衡板上。

作為優選，所述控制器為STM32F103ZET6單片機。

作為優選，所述姿態傳感器為MPU6050電子陀螺儀姿態傳感器。

進一步地，所述姿態傳感器的輸出端通過串口與所述控制器連接。

再進一步地，所述磁場定位裝置為平面銅線圈，且附于所述平衡板上。

再進一步地，所述電源模塊為直流穩壓電源模塊。

再進一步地，所述顯示模塊為3.2寸USART串口屏。

3. 有益效果

（1）利用磁場檢測和控制電路使平衡板按照一定角度擺動，可實現金屬小球在平衡板上完成各種指定動作，且數據處理快，精度高，功耗低，穩定性好；

（2）通過磁場定位裝置確定金屬小球在平衡板上的位置，通過按鍵模塊給控制器發出指令，然后通過姿態傳感器采集平衡板姿態參數，計算得到平衡板的傾斜角，最后通過PID調節對舵機實現閉環控制，從而實現金屬小球在平衡板上可以從任意起點到達任意終點，本實用新型結構簡單，體積小巧；

（3）采用單片機STM32F103ZET6作為控制器，不僅數據處理快，而且精度高，有效地實現了快速精準地控制；

（4）采用MPU6050姿態傳感器，不僅精度高、穩定性好、性能高、功耗低，而且還便于準確計算平衡板角度參數；

（5）采用直流穩壓電源模塊，減小了紋波，保證了電壓的穩定，進一步提高了穩定性；

（6）磁場定位裝置采用平面銅線圈，且整個銅線圈附在平衡板上，有效地保證金屬小球在銅線圈的范圍內，從而使識別位置準確，進一步提高了精度。

4. 實施方式

提供了一種基于磁場檢測的板球控制系統，該系統包括機械子系統和控制子系統，其中，所述機械子系統包括金屬小球1、底座2、平衡板3、萬向節4、舵機5和支架6，所述舵機5安裝在所述底座2上，并通過所述萬向節4與所述平衡板3連接，所述平衡板3通過所述萬向節4安裝在所述支架6上，所述金屬小球1位于所述平衡板3上，舵機5通過帶動萬向節4的運動進而帶動平衡板3在一定空間內擺動，從而使平衡板3上的金屬小球1移動到相應位置；控制子系統包括用于輸出控制信號來控制舵機5的采用型號為STM32F103ZET6單片機的控制器8、用于確定金屬小球1位置的磁場定位裝置9、用于計算平衡板3角度信息的采用型號為MPU6050電子陀螺儀的姿態傳感器10、用于顯示金屬小球1在平衡板3上的位置信息的顯示模塊12、用于發布執行操作的按鍵模塊11以及為上述各功能模塊提供工作電壓的電源模塊7，所述控制器8的信號輸入端連接至所述按鍵模塊11，所述控制器8的信號輸出端連接至所述舵機5的信號輸入端，所述磁場定位裝置9的信號輸出端分別連接至所述顯示模塊12的信號輸入端和所述控制器8，所述姿態傳感器10的輸出端通過串口與所述控制器8連接，所述控制器8、舵機5、顯示模塊12和電源模塊11安裝在底座2上，磁場定位裝置9和姿態傳感器10安裝在平衡板上3。在平衡板3上，保證金屬小球1在銅線圈的范圍內，從而使識別位置準確，顯示模塊12采用3.2寸USART串口屏，與磁場定位裝置9相連，實時輸出金屬小球1在平衡板3上的位置，平衡板3采用玻璃纖維，使用激光切割，保證平衡板3的平整性，姿態傳感器10安裝在平衡板3表面，通過姿態解算器，配合動態卡爾曼濾波算法，在動態環境下輸出平衡板3的當前姿態信息，并將相關信息通過串口傳輸至控制器8，控制器8將從姿態傳感器10接收到的姿態信息進行處理，通過PID調節使舵機5轉動，從而實現對舵機5的閉環控制，按鍵模塊11給控制器8發送模式指令，來控制金屬小球1的運動模式，舵機5通過萬向節4與平衡板3相連接，舵機5在控制器8的驅動下帶動平衡板3擺動，從而使金屬小球1滾動到特定的位置上。具體見圖一。

圖一

5. 總結

控制器8采用型號為STM32F103ZET6的單片機作為控制芯片，并在控制電路板上設有與控制芯片配置的外圍電路，其分別與采用型號為MPU6050電子陀螺儀的姿態傳感器10及步進電機驅動電路13連接，其電路結構屬于現有技術，本領域技術人員基于電子電路的基本常識和本實施例闡述的內容可自行配置。