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0、引言

題目要求是在一個(gè)有傾角的板上運(yùn)動(dòng)，需要控制與物體相連的繩子的長度，它是一種極坐標(biāo)下的雙軸聯(lián)動(dòng)，這與傳統(tǒng)直角坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)方式有較大的不同，增加了控制難度。本設(shè)計(jì)采用高效的PWM電路，提高電源的利用率。控制電路電源和電動(dòng)機(jī)電源隔離，光電耦合器傳輸，抗干擾性能強(qiáng)。紅外黑線檢測，超強(qiáng)糾錯(cuò)。

1、 懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

本運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件包括電機(jī)、控制器、傳感器和電源。

步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字執(zhí)行機(jī)構(gòu)，按順序給繞組施加有序的脈沖電流,就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字→角度的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比,轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與脈沖頻率成正比。由步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，簡單，廉價(jià)，實(shí)用因此本次設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)控制，便于實(shí)現(xiàn)精確雙軸聯(lián)動(dòng)。

控制器采用LPC932單片機(jī)，LPC932 是一款單片封裝的微控制器，適合于許多要求高集成度、低成本的場合，可以滿足多方面的性能要求。LPC932 采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時(shí)間只需2 到4 個(gè)時(shí)鐘周期。6 倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51 器件。LPC932 集成了許多系統(tǒng)級(jí)的功能，這樣可大大減少元件的數(shù)目、電路板面積以及系統(tǒng)的成本。

題目要求尋跡控制，因此需要設(shè)計(jì)黑線探測模塊。探測黑線的大致原理是：光線照射到路面并反射，由于黑線和白紙的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱判斷是否到達(dá)黑線。

由于電機(jī)電壓較高，單片機(jī)系統(tǒng)工作電壓低，采用雙電源供電。將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源與單片機(jī)以及其周邊電路電源完全隔離，利用光電耦合器傳輸信號(hào)。這樣可以將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)所造成的干擾徹底消除，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。系統(tǒng)總體框圖如圖1

                                         圖1

2.懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（1）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 

一般單片機(jī)分配的脈沖輸出驅(qū)動(dòng)能力是有限的，它不可能去直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，而需要經(jīng)過一級(jí)功率放大后，再去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。本系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)工作電壓9V，工作電流100mA,選擇MC1413達(dá)林頓陣列驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。其工作電壓大于50V，工作電流>200mA.

（2）黑線檢測模塊的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 

為了檢測黑色標(biāo)志線，在物體上安裝四個(gè)成X字型的反射式紅外傳感器。我們使用單片機(jī)中斷同步檢測的方法。

傳感器約2公分一個(gè)。題目要求線寬為1.5cm~1.8cm。當(dāng)沿軌跡步進(jìn)時(shí)，由各個(gè)傳感器檢測到的信號(hào)，就能確定應(yīng)該按照哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。控制物體運(yùn)動(dòng)到標(biāo)志線位置，記錄下當(dāng)前坐標(biāo)。步進(jìn)一步記錄一個(gè)坐標(biāo)。根據(jù)智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了智能自學(xué)習(xí)功能，即當(dāng)運(yùn)行完規(guī)定的軌跡之后，可以不用傳感器，直接根據(jù)上次記錄的坐標(biāo)控制物體沿剛才的軌跡運(yùn)行。這是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。

（3）按鍵與顯示模塊的實(shí)現(xiàn)

該模塊由單片機(jī)控制，可以輸入各種參數(shù)，顯示運(yùn)動(dòng)位置的坐標(biāo)，運(yùn)行要求軌跡所需的時(shí)間，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等。該模塊電路為串行輸出，動(dòng)態(tài)掃描方式，利用單片機(jī)的SPI串口功能，只占用較少的CPU時(shí)間，高效低成本的實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話功能。電路簡潔，通用，可擴(kuò)充性好。數(shù)碼管的段碼端用串并行輸出芯片74HC595驅(qū)動(dòng)，位碼端采用大電流驅(qū)動(dòng)器MC1413驅(qū)動(dòng).鍵盤可以任意設(shè)置目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)和希望的運(yùn)行速度。

3. 懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件及算法設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制電路由一片LPC932單片機(jī)組成。由于本系統(tǒng)有較多的復(fù)雜運(yùn)算等，所以使用C語言進(jìn)行軟件編寫，這樣可以大大提高程序編寫時(shí)的效率。軟件主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、圓軌跡控制、黑線紅外檢測、數(shù)據(jù)顯示等功能。

⑴步進(jìn)電機(jī)控制

步進(jìn)電機(jī)是一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)的，通過單片機(jī)按順序給繞組施加有序的脈沖電流,就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字→角度的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比,轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與脈沖頻率成正比,而轉(zhuǎn)動(dòng)方向則與脈沖的順序有關(guān)。

四相步進(jìn)電機(jī)單相四拍方式(按單相繞組施加電流脈沖)→Ａ→Ｂ→Ｃ→D正轉(zhuǎn);D→C→B→A→反轉(zhuǎn)。,

脈沖分配的作用就是在步進(jìn)脈沖的激勵(lì)下產(chǎn)生四相步進(jìn)脈沖。構(gòu)成脈沖分配的方法很多，可以用硬件電路來實(shí)現(xiàn)，也可以軟件來產(chǎn)生，但是軟件可以方便靈活的實(shí)現(xiàn)脈沖分配，所以采用軟件方法。

步進(jìn)電機(jī)的速度與每步所用的時(shí)間有關(guān)。每步時(shí)間越長，則速度越慢。因此，只要控制每步的延時(shí)時(shí)間，便可以控制步進(jìn)的速度。

在多數(shù)情況下，都希望步進(jìn)電機(jī)能以較快速度完成任務(wù)，這就要求步進(jìn)電機(jī)的速度要盡量快些。但速度太快，就有可能失步，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的響應(yīng)頻率比較低（１００－２５０步／秒）。因此，引進(jìn)了變速控制的思想，起動(dòng)時(shí)，以低于響應(yīng)頻率的速度運(yùn)行，然后慢慢加速，加到一定速度后，就以此速度恒速運(yùn)行。當(dāng)要到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，慢慢減速使之在低于響應(yīng)頻率的速度運(yùn)行，直到停機(jī)并走完規(guī)定步數(shù)。步進(jìn)電機(jī)的變速控制在定時(shí)器的中斷服務(wù)程序中通過改變脈沖頻率來實(shí)現(xiàn)。

（2）物體的直線運(yùn)動(dòng)控制

                                    圖2

    1.坐標(biāo)原點(diǎn)到任意點(diǎn)的直線運(yùn)動(dòng)

本系統(tǒng)能人機(jī)對(duì)話，可通過鍵盤任意設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)，而且速度也是任意可調(diào)的。將坐標(biāo)圓點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換到左上腳，如圖2所示。則相對(duì)于原來坐標(biāo)系的任意一點(diǎn)（x,y）經(jīng)過坐標(biāo)變換后變?yōu)椋?BR>

那么從原點(diǎn)到任意點(diǎn)A的直線運(yùn)動(dòng)，可以通過控制步進(jìn)電機(jī)而使r1,r2滿足要求。

控制方法如下：

當(dāng)r1_A>r2_A,這表明r1端的電機(jī)的轉(zhuǎn)速比r2端的轉(zhuǎn)速快。這樣才能保證兩個(gè)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)使r1,r2軸同時(shí)達(dá)到終點(diǎn)A。

設(shè)r1端的步進(jìn)電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速v1轉(zhuǎn)動(dòng)，那么 r2端的電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在

反之，如果r1A<r2A,則r2端的電機(jī)的轉(zhuǎn)速v2控制在額定轉(zhuǎn)速，而r1的轉(zhuǎn)速控制在：

2.任意點(diǎn)A到任意點(diǎn)B的運(yùn)動(dòng)控制

由上述分析，可以得出B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的r1,r2長度。

B點(diǎn)：      
                                                                              （5）

                      

                          （6）

那么A點(diǎn)到B點(diǎn)的直線運(yùn)動(dòng)可按如下實(shí)現(xiàn)：

A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)r1的變化值為Δr1，r2的變化值為Δr2。

                                                           (7)

                                                                  (8)

當(dāng)Δr1>0，表明要收r1，當(dāng)Δr1<0，表明要放r1。同理r2也是同樣的控制。

當(dāng)Δr1>Δr2時(shí),表明r1的移動(dòng)路程大于r2的移動(dòng)路程。

設(shè)r1端的步進(jìn)電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速v1轉(zhuǎn)動(dòng)，那么 r2端的電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在

3.任意圓心的圓的運(yùn)動(dòng)控制

采用直線近似法完成圓軌跡運(yùn)動(dòng)。

將圓心坐標(biāo)為整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍的中央（400，500），半徑為250的圓取32個(gè)點(diǎn)，也可以取更多點(diǎn)，得到一組離散數(shù)據(jù)預(yù)先存入單片機(jī)E²PROM中，通過坐標(biāo)變換將給定圓圓心轉(zhuǎn)換到任意設(shè)定的圓心，坐標(biāo)變換后按式（3），（4）,(5),(6)進(jìn)行從A點(diǎn)運(yùn)行到B點(diǎn)的對(duì)應(yīng)r1,r2長度的計(jì)算。

然后按照上面任意點(diǎn)A到任意點(diǎn)B的運(yùn)動(dòng)控制方法，實(shí)現(xiàn)圓周上A點(diǎn)到B點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)控制。當(dāng)走完預(yù)存于的32個(gè)點(diǎn)，就實(shí)現(xiàn)了走圓的控制。其流程圖如圖3所示。

 圖3

⑶ 黑線檢測程序

采用脈沖調(diào)制的發(fā)射與接收電路。我們使用單片機(jī)同步檢測的方法。接收器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)識(shí)別整形電路向LPC932指示傳感器的探測信號(hào)。本例程采用LPC932的外部中斷功能檢測。

在物體周圍成十字型安裝四個(gè)傳感器。傳感器約2公分一個(gè)。題目要求線寬為1.5cm~1.8cm。當(dāng)沿軌跡步進(jìn)時(shí)，由各個(gè)傳感器檢測到的信號(hào)，就能確定應(yīng)該按照哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。控制物體運(yùn)動(dòng)到標(biāo)志線位置，記錄下當(dāng)前坐標(biāo)。步進(jìn)一步記錄一個(gè)坐標(biāo)。當(dāng)運(yùn)行完軌跡之后，可以不用傳感器，直接根據(jù)上次記錄的坐標(biāo)控制物體沿剛才的軌跡運(yùn)行。

⑷ 按鍵顯示

數(shù)碼管全部使用軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。為了使人眼感覺不到抖動(dòng)，掃描頻率應(yīng)不低于60HZ ，根據(jù)這個(gè)值來確定定時(shí)器的中斷時(shí)間，即掃描時(shí)間。采用串行多數(shù)碼管掃描式顯示方法。可以同作鍵盤任意設(shè)置到達(dá)點(diǎn)的坐標(biāo)，運(yùn)行軌跡的模式選擇。

4.結(jié)束語

本設(shè)計(jì)在硬件上，使用了傳感器的調(diào)制技術(shù)使抗干擾性能改善。在軟件上，充分利用了P89LPC932的靈活方便，實(shí)現(xiàn)了在線實(shí)時(shí)顯示物體運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)，時(shí)間等。也可以任意選擇運(yùn)行的目標(biāo)點(diǎn)和運(yùn)行速度，具有良好的人機(jī)界面。同時(shí)作為本次設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了機(jī)器自學(xué)習(xí)功能。從最終測試結(jié)果看，本系統(tǒng)以簡潔可靠的電路與精心設(shè)計(jì)的控制算法與程序，較好地完成了題目的基本要求和擴(kuò)展要求。

參考文獻(xiàn)：

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2．  陳維山.趙杰，機(jī)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 1999

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