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1、悬挂运动控制系统悬挂运动控制系统作者：李岩 沈志 张海宁赛前辅导及文稿整理辅导教师：尹仕摘要：本系统采用SPCE061A单片机作为控制系统的核心，通过光电编码盘实现对悬挂物位置的精确测量，并引入局部闭环反馈控制环节对误差进行修正。在寻迹过程中，采用无线数传通讯的反馈方式替代了有线连接的反馈方式，避免了线缆牵引带来的控制误差。系统采用点阵液晶和触摸控制屏实现了友善方便的人机交互界面。Abstract: This system adopts the SPCE061A as the kernel of the control system. The system measures the posit

2、ion of the suspender through the photoelectric encoder and the position is been modified by the local feedback. During the seeking mark process, it makes use of the wireless data transmission feedback instead of the lineate feedback to avoid the system control error which brought by the line. The sy

3、stem uses a LCD and a touch screen realizes a friendly and conveniently HMI (Human Machine Interface). 一、方案论证与比较1系统基本方案本系统主要由主控制模块、电机驱动模块、检测反馈环节和悬挂模块四部分组成，实现了局部闭环的悬挂运动控制系统。系统框图如图1所示。图1系统总体框图2各模块方案选择与论证(1) 位置测量方案的选择方案一：采用位移传感器实现对悬挂物的定位。受光电鼠标原理的启发，可采用位移传感器，获取悬挂物的坐标偏移量，得到当前位置X、Y坐标。此方案可以通过直接购买鼠标成品作为悬挂物，

4、从鼠标接口取得当前位置量，定位精度高。但是它测量的相对坐标，并非绝对，一旦掉帧，系统就无法校正；另一方面市场上的鼠标多为USB接口，USB数据传输协议较为复杂，限于比赛时间限制，实现较为困难。方案二：采用步进电机实现对悬挂物的定位。由于步进电机可对旋转角度实现精确控制，因此可得到悬挂线的精确角位移，从而可以计算出线位移，进而可以计算得到悬挂物的位置，实现悬挂物定位。常用的两相四线步进电机和两相六线步进电机等，转动一步精度可达到0.9，线位移误差可以达到毫米级。但由于题目对悬挂物重量有一定要求，则需要步进电机转矩较大。而步进电机转矩越大，其在停止时的锁死电流就越大，因此采用步进电机对电源功耗要求

5、很高。另外当步进电机运转频率过高时，会出现失步等现象，影响控制精度。方案三：采用直流电机结合光电编码盘实现对悬挂物的定位。此方案是将光电脉冲信号转化为角位移量，是工业控制中的常用方法。编码盘转轴与直流电机转轴同轴相连，通过安装在码盘两侧的透射式红外对管测得电机转过的角位移。光电编码盘示意图如图2所示。直流电机相对步进电机成本低廉，容易采购，电机驱动电路简单。相比之下步进电机需配套使用相应的时序脉冲产生电路，如常用的L297芯片等，这不仅增加控制系统的成本，也使硬件相对复杂。因此采用此方案简便易行，成本低廉。 基于以上分析，选择直流电机结合光电编码盘的定位方案。(2) 任意轨迹探测方案的选择方案

6、一：采用CCD/CMOS光电成像传感器，通过图像识别得到悬挂物行走轨迹。实地拍摄坐标纸图像，由单片机处理后分析找出黑线延伸方向，控制悬挂物体沿黑线前进。但此方案实现难度较大，短期内无法完成。方案二：采用反射式红外传感器阵列，通过多个红外头的探测信号得到悬挂物行走轨迹。由于黑色物体和白色物体的反射系数不同，从而实现对黑白物体的分辨。将8个红外对管组成一个环，围绕在画笔周围，调整各传感器之间的间距，可以探测出黑线任意延伸方向。可满足题目的精度要求。传感器阵列示意图如图3所示。基于以上分析，选择方案二。 图2. 光电编码盘示意图 图3. 红外传感器阵列示意图 (3) 控制策略的选择方案一：开环控制系

7、统。通过对电机输出量的测量来实现距离量的测量。因开环控制不具有修正由于扰动而出现的的悬挂模块实际走过的路程与计算输出量的偏差，故抗干扰能力较差。方案二：局部闭环控制系统。在通过测算光电编码盘的光电信号计算电机输出量的同时，在线上加入反馈修正子模块。在外壁不导电的漆包线上，每隔一定固定距离，刮掉一小段油漆露出导电芯，通过对导电芯的探测达到测量实际路程值的目的，构成一个局部闭环控制系统。显而易见，局部闭环控制系统对系统精度有很大程度提高，故我们选择方案二。(4) 控制核心与悬挂模块通信方式的选择方案一：采用有线传输方式，通过较长的线缆，直接将探测信号传回控制核心，进行数据处理，作出运行控制决策。方

8、案二：采用无线数传方式，通过无线模块，将整个系统分为探测部分和控制部分两个模块，将采集信号首先送到探测控制模块，然后传回主控制器，作出运行决策。使用有线模块时，较多线缆会更多地导致悬挂物体运行误差，考虑悬挂模块在运行过程中的控制精度问题，我们最终选择无线数传方式。二、系统硬件设计及相关分析计算1直流伺服控制系统的设计与实现（1）含有局部反馈的直流伺服控制系统本设计采用SPCE061A内置的两路PWM输出实现了直流伺服控制系统的PWM控制。系统原理框图如图4所示。图4. 直流伺服控制系统（2）电动机传动系统本系统采用带有减速箱的直流电动机，电机额定工作电压12V，减速箱的减速比为，输出力矩大于2

9、400（gcm），带轮的平均直径为12mm，故悬线牵引力大于4000g。题目要求悬挂物重量大于100g，因此足以满足系统要求，并能使系统具有很大的加速度，增强了灵活性。（3）电动机驱动为求硬件电路简化，电机驱动没有自行设计经典的H型桥式电路，而是采用专用电机驱动芯片L298的两路四个功率输出实现。电路工作过程：PWM输出接C，当从MCU输出低电平到D，电动机正转；当从MCU输出高电平到D，电动机反转；其他情况，电动机停转。2光电探测模块设计与实现在黑线寻迹和光电编码盘检测中分别使用了反射式和透射式光电传感器。 利用反射式光电传感器检测黑线的电路如图5(c)所示，其示意图如图5(a)所示。电路工

10、作过程如下：当探测到黑线时，红外光电二极管U1发射出的光被反射回来的强度很弱，光敏三极管无法导通，所以A点此时为高电平，通过带施密特功能的反相器74HC14，MCU收到的信号是低电平。当探测到白色底板时，红外光电二极管U1发射的光被反射回来的强度很强，光敏三极管导通，所以A点此时为低电平，通过74HC14，MCU收到的信号是高电平。（c）（b）（a）图5.光电传感器原理图 利用透射式光电传感器检测光电编码盘，电路原理图如图5(c)所示，其示意图如图5(b)所示。其工作原理是通过编码盘阻隔红外二极管发出的光，每当码盘转过一条缝时，光敏三极管就接收到一个信号。信号处理过程与反射式光电传感器相同。3

11、局部闭环反馈模块设计与实现为实现系统的闭环控制，设计一悬线检测校正模块来校正线长值，消除系统累计误差。悬线采用0.29mm漆包线，并定长剥出一段裸线。在悬线中部，使用由图钉制作的检测开关，来检查导线上的裸线段，从而校正当前测量的线长值，消除累计误差，实现局部闭环控制。反馈校正模块示意图如图6所示，悬线检测电路如图7所示。 图6. 闭环检测校正装置 图7.悬线检测电路原理图4无线数传模块控制核心模块与悬挂物之间通过无线方式协调工作。由于考虑到比赛时间限制，没有自行设计制作无线模块，而是直接采用市场上购买的HAC-uM系列微功率无线数传模块。该模块在视距情况下，可靠传输距离可达500m，足以满足系

12、统要求。三、算法设计与软件流程图为达到题目要求的控制精度和响应时间，我们针对各项功能设计相应的巧妙算法。1各部分软件算法设计 点到点运动算法当控制系统完成从当前位置到目的位置的点到点运动时（如图8所示），采用直接计算当前位置和目的位置左右两个电机线程差的办法实现控制（使用较小滑轮，滑轮半径r=10mm，忽略轮的半径带来的绕线误差）。设左右两个定滑轮中心分别为A和B，悬挂物当前位置为C，目的位置为D。悬挂物处于当前位置时，根据勾股定理，左右线分别长： 式（1） 式（2）已知左右滑轮间距离AB,当需要移动至目的位置D(x,y)时： 式（3） 式（4）于是得到左右两个电机的驱动距离差值： 式（5）

13、式（6） 圆周运动算法当控制悬挂物完成圆周运动时（如图9所示），设左右两个定滑轮中心分别为A和B，圆心为O，悬挂物当前位置为C，因为滑轮半径较小，因此忽略滑轮半径r带来的绕线误差。因为悬挂物做圆周运动，因此图中的一定，角和角互补变化，其变化量大小决定画圆准确度。根据余弦定理，计算得到： 式（7） 式（8）且有： 式（9）在控制过程中，使角按照一定精度值步进，最终在纸上将画出一个以O为圆心的圆。图8. 悬挂物直线运动示意图 图9. 悬挂物圆周运动示意图 任意轨迹寻迹算法 由于所寻黑线是任意绘制，因此将全段曲线微元化，截取足够短一小段直线，如图10所示。在传感器尺寸设计时，充分考虑探测曲线的各种情

14、况，使悬挂物在有黑线区域，至少有一个光电传感器能探测到黑线。系统寻迹算法如示意图所示，每次探测均有一个主探测器（A），并且将屏蔽本次主探测器其后的三个探测器(如图10（c）所示)，即每次使用8对光电传感器其中的5对。主探测器的确定是在上一个状态探测时，记录探测到黑线的探测器，并将它们相对当前主探测器的角度偏移量取平均，从而得到下一个状态探测的主探测器。在寻迹过程中，主探测器将随着黑线的方向不断变化，与此同时悬挂物也随着黑线运动。 图10. 任意轨迹寻迹示意图2软件流程图 主程序流程图主程序流程图如图11所示。 悬挂物运动子程序流程图悬挂物运动子程序流程图如图12所示。 人工调零子程序流程图调零

15、子程序流程图如图13所示。 图11. 主程序流程图 图12. 运动子程序流程图图13. 人工调零子程序流程图四、系统测试1测试条件测试时间：2005年9月10日星期六测试点环境温度：28C2测试仪器测试使用的仪器设备如表1所示。表1 测试使用的仪器设备序号名称、型号、规格数量备注1DF1731SL1ATA型直流稳压电源1无2TDS1002数字存储示波器1无3CA1640P20型函数发生器1无4FLUKE 15B型万用表1精度为位5ZSD-803A型秒表1精度为6PC机1Intel Celeron 2.4G， 256DDR3点到点运动的测试测试数据及结果如表2所示。表2 点到点运动测试结果实际目

16、的位置第一次第二次第三次时间停止位置时间停止位置时间停止位置(80,60)65s(79.8,60.2)67s(79.4,60.5)65s(79.8,60.5)(70,70)57s(69.6,69.2)55s(69.6,69.6)59s(69.7,69.5)(60,80)67s(59.7,79.8)67s(59.4,79.5)70s(59.8,79.8)4. 圆周运动的测试 测试数据及结果如表3所示。表3 圆周运动测试结果圆心位置圆心偏差最大轨迹偏差时间（25，25）9mm13mm57s（25，50）4mm12mm59s（50，25）7mm10mm62s5. 连续轨迹寻迹运动的测试 测试数据及结

17、果如表4所示。表4 连续轨迹寻迹测试结果寻迹序号最大偏差距离时间12mm37s21mm39s33mm42s6. 断续轨迹寻迹运动的测试测试数据及结果如表5所示。表5 断续轨迹寻迹测试结果寻迹序号最大偏差距离时间13mm47s25mm49s32mm49s7. 系统实现的功能整机测试指标完全达到题目要求，具体见表6。因受竞赛场地、实际环境等条件影响，各参数测试会因外界影响而略有误差。表6 系统实现的功能功能实现情况实际性能基本要求任意设定坐标点参数实现实现通过触摸屏，在人性化的菜单提示下任意设定坐标点参数在80cm100cm坐标纸上作自行设定的运动实现时间150s误差5mm在80cm100cm坐标

18、纸上，完成自行设定的阶梯轨迹、直线轨迹和抛物线轨迹运动圆心任意设定，直径50cm的圆周运动实现误差=1cm可作圆心任意设定、直径也可任意设定（包括50cm）的圆周运动原点到点运动实现时间100s可作坐标纸上原点到任意点运动发挥部分显示悬挂物中画笔所在位置的坐标实现可在点阵式液晶屏上显示悬挂物中画笔所在位置的坐标沿连续黑色曲线段运动实现时间120s偏差1mm寻迹偏差小，响应时间短沿间断黑色曲线段运动实现时间120s偏差1mm寻迹偏差小，响应时间短其它无线数传模块；局部闭环修正六、结束语本设计以两片SPCE061A为核心部件，利用光电检测技术、无线数传和PWM电机驱动技术并配合一套别出心裁的软件算法实现了悬挂运动控制系统的点到点定向运动、圆周运动、连续及断续轨迹寻迹等功能，最终使控制系统完成竞赛题目中要求的各项任务。在系统设计过程中，力求硬件线路简单，充分发挥软件编程方便灵活的特点，来满足系统设计的要求。从测试结果看来，在采取多项误差校正措施的情况下，特别是加入的局部闭环反馈环节的引入，系统的控制误差明显减小，系统控制精度达到毫米级，响应时间也符合题目要求。