悬挂运动控制系统2

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1、.悬挂运动控制系统参赛队员：吴亚军吴怀恩季宿儒摘要：本系统以单片机89C52为核心,采用了步进电机控制装置、红外寻迹传感装置来实现一个对悬挂物体运动控制系统。友好的操作界面和灵活的监控方式是本设计的两大特色,增强了系统的实用性。关键词：步进电机；红外传感器；悬挂运动。一、方案论证与选择1．题目任务要求及相关指标的分析题目的基本要求中，要求在150秒内到达设定的一个坐标点以及300秒内画圆或按照设定的轨迹运动,这要求我们对左右两个电机进行灵活、准确、快速的控制,并且有和谐的人机交换功能，才能够满足要求。因此选择合适的电机以及运用有效的算法来对电

2、机进行控制是必需的，我们通过建立合理的数学模型，使两电机控制的绳长依照我们建立的函数关系变化，来实现悬挂物体在板上以各种方式运动。发挥部分，要求控制物体沿板上标出的任意曲线运动，通过红外传感器寻迹，实现跟踪运动。而显示画笔的位置坐标，则可通过两段绳长变化与原点坐标之间的函数关系来计算，求出当前点的横纵坐标，并在LCD上显示出来。2．方案的比较与选择(1)电机的选择方案一:直流电机采用单片机和A/D转换构成系统，控制普通电机的步数和旋转方向，可以考虑达林管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速，

3、减小因惯性，速度，步距角过大而引起的调整误差，达到改变绳长的要求，缺点是通过控制直流电机驱动模块将脉冲信号转化为模拟信号，需要将单片机输出的序列脉冲转换，延长了控制的时间，导致控制精度差；关键是直流电机不能即停，使直流电机不能精确定位，满足不了控制误差范围为设定值的要求。方案二:步进电机用单片机产生脉冲信号，脉冲信号的占空比为0.5左右，脉冲信号经过功率放大控制步进电机，控制信号为数字信号，不再需要数/模转换；步进电机的速度易于控制，具有快速启/停能力，可在一刹那间实现启动或停止；它的转动角度严格可控，一般情况步距角可以降低到以下，而采用专用

4、驱动块，可以更加的精确。步进电机延时短，定位准确，精度高，可控制性强。这样我们就可以根据驱动脉冲总数来计算绳子所走过的路程，从而得出坐标和时间。根据本课题技术指标要求，物体质量大于100...克即可，步进电机的输出功率足以满足负载要求；同时根据题目要求运动轨迹与预期轨迹偏差不超过4cm，这对电机有精确的要求，而直流电机难以达到这一指标。综上方案的比较分析，故而本设计采用方案二。(2)悬挂物体定位方式的选择方案一:坐标查询方式在80cm×100cm的白色底板上，等分为8000个方格，视其为8000个点，每个点都有横纵坐标（a，b）两个数据，即共

5、有16000个数据，而底板左右对称，所以只需记录一半的数据，即8000个，这样我们只需事先计算出悬挂物体在每一点对应的两侧绳长（x，y），将这8000个数据，即4000个确定的绳长数组记录在单片机中，这样就可以对所设定的坐标，采用查询的方式，找到相应点所对应的数组（x，y），与当前点对应的绳长做差，得到所需的绳长改变量，从而控制电机使物体到达该点。此方案的优点在于查询方便快捷，准确性高，动作运动迅速，但准备工作的计算量太大，而且需要通过一块片外的ROM来存储如此庞大的数组集，不方便实现。方案二：公式计算方式根据题目中给出的各段长度，可以很容易

6、的得到底板上各点坐标与两电机分别对应的绳长之间的函数关系，这样可以根据给定点的坐标求出各绳长或根据绳长求出点的坐标，能够实现各项指标，实现悬挂物体的精确定位，满足题目的要求。该方案数学模型清晰，可以在较短时间内完成绳长或坐标的计算，使电机快速动作，无须片外ROM存储，而且占用单片机内存少，空间利用率较高，可操作性强。综上方案的比较分析，根据本课题技术指标要求，用公式计算的方法比较容易实现，故而本设计采用方案二。（3）画圆方案的选择方案一：切分拟合法首先通过周长计算，将圆等分为3000等份，然后依次计算初始点到下一点的坐标增量，通过增量来控制两

7、个电机的运动，从而调整绳长，实现点对点的精确移动，也就是说所画的圆是由3000段小线段与之拟合连接起来的。这需要我们有足够快的运算速度，与很高的精度，依次精确计算出每一次步进的距离，横纵坐标和两段绳子的改变量，占用内存很大，计算时间较长，反应到电机上就是电机的运动时断时续，画圆的用时很长，线段相对光滑，但是累积误差比较大。方案二：查询计算法第一步要求我们能够画出一个题中要求的标准圆，然后将这条轨迹对应的各点坐标与相邻坐标的增量处理后详细记录，并且存储到单片机内，当我们需要画圆的时候，只需要调用这些标准增量，通过公式计算出绳长的改变量，就可以很

8、精准的得到：左右电机从当前点运动到相邻点的脉冲数目与方向。这样就可以实现快速、准确、美观的画圆。上述两种方案中，方案二可以避免复杂的计算，缩短电机的等待时间，没有误