板球軌跡跟蹤控制器設(shè)計

韓沛宇 陳德麟 王 碩

沈陽航空航天大學(xué) 遼寧 沈陽 110136

0 前言

板球軌跡控制系統(tǒng)的的研究開始于上世紀(jì)八十年代末期，國內(nèi)的學(xué)者開始將板球控制系統(tǒng)作為驗證控制算法的一種平臺。針對該研究，目前國內(nèi)的研究狀況是清華大學(xué)模糊控制教研組于2000年前后開始對板球控制系統(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)劃和跟蹤實驗，之后開發(fā)了基于視覺的板球控制系統(tǒng)仿真平臺，設(shè)計控制器并實現(xiàn)了對板球的穩(wěn)定控制。

1 PID控制的基本理論

本系統(tǒng)主要應(yīng)用PID算法來計算由電阻屏感應(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)的偏角來實現(xiàn)對軌跡的跟蹤。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)通過調(diào)節(jié)比例和微分環(huán)節(jié)的系數(shù)就可以較好的實現(xiàn)對小球軌跡的控制，因此不用調(diào)節(jié)積分項。

2 板球控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

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)計要求，采用的方案如下。本課題設(shè)計的板球控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。單片機(jī)ST M32作為整個系統(tǒng)的控制核心，根據(jù)接收到的各類信號進(jìn)行分析判斷，產(chǎn)生合適的PWM波形傳給舵機(jī)驅(qū)動模塊并驅(qū)動舵機(jī)。舵機(jī)根據(jù)單片機(jī)所產(chǎn)生的PWM波形來控制平板的傾角。檢測模塊為電阻檢測屏，用來實時檢測小球的位置，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的型號眾多，我們選擇這個型號的原因是看重其性價比，該芯片含有128K的FLASH、20K的SRAM、2個SPI、3個串口、1個USB、1個CAN、2個12位的ADC、RTC和51個可用IO腳。

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

該電阻觸摸屏的工作原理主要是通過壓力感應(yīng)原理來實現(xiàn)對屏幕內(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，平常相互絕緣的兩層導(dǎo)電層就在觸摸點位置有了一個接觸，因其中一面導(dǎo)電層接通Y軸方向的5 V均勻電壓場，使得偵測層的電壓由零變?yōu)榉橇悖刂破鱾蓽y到這個接通后，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)動模塊 本系統(tǒng)采用L M2596芯片來對兩個舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。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)動電流，同時具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。可調(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控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示方式，是由幾萬到幾十萬個半導(dǎo)體發(fā)光二極管像素點均勻排列組成。它利用不同的材料可以制造不同色彩的LCD像素點，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。本次實驗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，能很好的改善板球系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能。

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

(1)建立板球系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型時，可以把系統(tǒng)的耦合特性、小球與球盤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研究，在進(jìn)一步的實驗中，可以嘗試跟蹤更復(fù)雜的軌跡曲線或者對小球在球盤上的避障控制進(jìn)一步研究。