悬挂控制系统后

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1、.悬挂控制系统张志勇方力余师倩摘要：本系统以单片机和FPGA构成的最小系统为控制核心，分为步进电机控制模块、红外检测模块、人机交互模块等部分。该系统可通过键盘任意设置坐标点参数；控制质量大于100g的物体在仰角不大于100°的80cm100cm白板上作自行设定的运动，物体携带画笔在白板上画出运动轨迹；控制物体沿板上标出的任意黑色间断曲线运动；实时显示物体所在位置的坐标。系统完成各项指标，界面友好。关键字：红外检测步进电机循迹运动1方案论证1.1题意分析图1.1为系统模型。题目要求悬挂物体能快速响应控制命令，能连续、准确、平滑地在平面内移动。这样就要求两侧

2、电机能准确配合，按照设定的角度旋转，进而带动悬线伸缩。注意系统的执行机构是画笔尖，物体的重心应集中于此。设计可分为两部分：（1）控制物体按设定轨迹运动，完成这个部分时让物体到达终点后原路返回看能否正好回到起始点，以此来检测。画好直线后再去画圆。（2）循迹运动，须在画笔上安装传感器阵列，以辨认黑色曲线走向，并将数据送控制核心处理，最后接收执行命令，沿曲线逐步前进。图1.1系统模型画笔运动过程中，实际所达位置与预定位置之间的误差应控制在要求范围内，因此应采用应变系数小的吊绳，并且尽量使电机转盘同轴。1.2方案比较与选择a)电机选择电机是整个悬挂控制系统的动力源

3、，而题目并没有规定使用何种电机，所以在系统设计之初首先面临的一个问题便是选用什么电机。方案一：使用直流电机。直流电机输出功率大，带负载能力强，驱动电路简单，但精确控制直流电机转动角度不易实现。方案二：使用步进电机，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。给电机加一个脉冲信号，电机就转过一个步距角，具有较强的快速启停能力。其控制特性如图1.2所示。θ=ck,其中θ为步进电机的角位移量,k...为脉冲数,c为常数。这一线性关系的存在，使得步进电机只有周期性的误差而无累积误差，这一特性是整个系统方案的基础。而在步进角方面，图1.2步进电机控制特

4、性我们选用的三相六拍式步进电机，步进转角最小可以达到1.5度，可以满足系统控制精度要求。我们最终采用了方案二。b)控制方案的选择方案一：为整体系统进行数学建模，得到物体运动到每一点的速度值和坐标值，对于速度值和坐标值的处理经由上位机PC完成，运用功能强大的数学处理软件Matlab来运算，通过上位机和单片机的通信，给下位机发出下一目标点的运动指令。但是这样处理的弊端是整个控制系统是以数学理论为中心，其数学结果的形式不和步进电机直接匹配，会使整体的控制误差显著恶化。方案二：基于对步进电机步进方式的考虑，采取一种将物体运动坐标转化为步进长度的策略。通过控制悬线在

5、一定时间内伸缩的长度就可以控制物体的运动方向。电机正转，则悬线伸长；电机反转，则悬线缩短。悬线变化的长度和电机转动的步数成正比。题目指标要求物体可以行走直线，圆周和一段现场给出的不确定间断曲线，对此三种运动线型采用统一处理的策略，即都使用微小直线段组合成复杂曲线。出于对公式复杂度和程序可重用率的考虑，我们采用第二种方案。这样做不仅能由电机的步进直接实现，还可以将所有线型集中转化为对直线运动的研究之后再拼接组合复原。对于不确定的运动曲线，物体上的光电传感器阵列实时采集路线信息，将其传送给处理器进行方向判断，给出下一步运动目标点的相关信息。c)电机驱动模块的选

6、择为保证控制的精度，需尽量采用高性能的驱动电路以保证步进电机良好的运转性能。采用集成电机驱动块。集成驱动块驱动能力强、工作稳定，其内部加入了光耦隔离器将控制电路与驱动电路完全隔离，防止了电动机在启动和制动时对控制电路造成影响。集成驱动块选择因所选用的步进电机而异，在本设计中使用三相步进电机，UP-3BF04型号的集成驱动块。该驱动器使用简单，只需要两根信号线便实现三相步进电机的精确控制，一根信号线通过输出逻辑电平控制电机的转动方向，另一个信号线通过输出频率可变的方波信号来控制电机的转动速度。d）光电传感器选择作循迹运动时，物体需要区分黑线和白板。由于黑色物

7、体和白色物体的光反射系数不同，调节光电传感器与检测对象之间的距离，使光敏三极管只能接收到白色物体反射回来的光束。对于黑色物体，由于其反射系数小，所反射回来的光束很弱，导致光敏三极管截止。利用反射光的强弱控制光敏三极管导通和截止，从而实现对黑白物体的分辨。方案一：可见发光二极管与光敏二极管组成的发射-接收电路。这种方案的缺点在于其他环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰，一旦外界光照条件改变，就很可能造成误判和漏判：虽然采取超高亮发光管可以降低一定的干扰，...但这又将增加额外的功耗。方案二：采用反射式红外发射—接收器。由于采用红外管代替普通可见光管，可以

8、降低环境光源干扰。一般光源红外线频段能量较弱，对红外传感器的干扰较