悬挂运动控制系统设计说明

悬挂运动控制系统（E题）

摘要

本系统在嵌入式操作系统基础上，使用两块单片机协调工作，对悬挂物体的运动进行实时控制。系统通过两个步进电机的配合完成了平面任意曲线运动，通过光电传感器配合循迹算法迅速有效地完成了循迹运动。运动的精度为毫米级，过渡时间不超过1分钟。同时，使用了点阵式LCD配合PS/2鼠标等外围设备，提供了良好的交互界面。

Abstract

This design bases on an embedded operating system, and uses two pieces of SCM t o take real time control of a suspender’s movement in a planar plane. The system can move in any designed way with the cooperation of two step-motors, and do a quick tracing movement because of a special arithmetic, which is based on an array of photoelect ric sensors. The position’s precision of the movement can achieve a level of millimeter, and its transition time is less than 1 minute. Meanwhile, with a LCD and a mouse which follows PS/2 protocol and other input/output devices, it can provide a friendly and humanistic man-machine conversation.

一、方案论证与比较

从控制系统的角度来看，采用闭环控制方式比采用开环控制的效果要好。但在闭环方式的控制系统中，一般都需要反馈信息。就本赛题而言，如果使用闭环方式进行控制，系统必须得到物体位置的反馈信息。

在方案论证的过程中，我们发现要取得物体位置反馈信息相当困难，采用纯粹的闭环方式控制的难度太大。同时，我们发现如果采用步进电机作为控制系统

的执行机构的话，由于步进电机在不失步时不产生累计误差的特性，可以使用开环的控制方式。经计算表明，采用较小步距角的电机和不太大的绕线轴半径时，系统可以很好地满足赛题的设计指标要求的。

因此，决定使用步进电机控制的方案，整个系统的总体控制结构是开环的。以此为基础，下面对系统各子模块的方案进行论证。

1）电机驱动方案

方案一：使用专用电机驱动芯片。专用驱动芯片部的压降一般比较低，在驱动电路上的功耗较低。因此是一种比较合适的选择。

方案二：使用分立器件自做电机驱动电路。可以用场效应管搭建H桥式驱动电路，简单方便。但如果器件选择不当，可能会产生较大的压降，附加功耗增加，使电路过热甚至烧毁电路。

从系统稳定性和功耗上考虑，本系统选择了方案一。

2）单片机结构方案

方案一：使用单MCU结构。单MCU结构可以有效利用单片机的硬件资源，在系统现有硬件的基础上尽量实现系统更多的功能，这是每一个系统的设计者努力追求的目标。为了降低系统硬件成本，使用单MCU结构是较好的方案。

方案二：使用双MCU结构。就本赛题来说，其硬件制作相对较少，如何在有限的几天更好地利用人力资源，开发出更好的、更完善的系统将成为一个必须面对的问题，而且双MCU结构易于扩展升级。因此，本系统使用了双MCU的结构来开发系统软件。

3）循迹模块方案

方案一：采用CCD传感器，通过图像识别确定黑线轨迹。此方案循迹稳定，但实现难度较大。

方案二：采用反射式红外传感器，根据白纸与黑线的反射率不同辨别轨迹。使用传感器组成阵列可以探测出轨迹的所有延伸方向，满足循迹的要求。

本系统使用了方案二。

4）输入输出模块方案

良好的人机交互界面使得设计更加人性化。为方便操作者对整个控制过程有直观的认识，决定使用240×128点阵式LCD实时地显示运动物体的运动轨迹和参数。同时，为了扩展系统性能和方便操作，系统在使用4×4键盘的基础上再添加一个PS/2鼠标，打算用来任意操作物体的移动。

经上述方案设计与论证，得到系统的总体框架图如图1所示。

图1 系统总体方框图

二、系统原理与分析

1．步进电机特性

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。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。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。

为了不产生累积误差，必须保证步进电机的运行不失步。这和其运行矩频特性密切相关，如图2所示。

图2 运行转距－频率特性

可见，对步进电机的驱动信号存在一个必须避开的频率――共振频率f0。

在本系统中，使用了电机是四相步进电机，步距角为1.8°，采用四相八拍驱动方式，最小区分角为0.9°，实测共振频率在510Hz左右，故系统所使的用每秒脉冲数（简称PPS，Pulse Per Second）应远小于共振频率以避开共振点。

2．物体运动的处理办法

根据“以直代曲，以割代弧”的思想，所有曲线上的弧线上都可用其割线代替。只要能够平滑、精确地完成任意两点的移动，就能够完成按任意曲线的运动。

由于重力作用，在由过悬挂滑轮的直线分割的二维平面的下半平面，由X-Y 坐标系的一对坐标(X,Y)能唯一确定物体到两悬挂滑轮的距离。为了处理方便，可以使用以两悬挂滑轮为原点的自然坐标对（L(x,y),R(x,y)）来表示物体的位置。此时，L 为物体到左边悬挂滑轮的距离，R 为到右边悬挂滑轮的距离。 设有两点间的移动：(x1,y1)à(x2,y2)，则可转化为(L1,R1)à(L2,R2)的移动。记ΔL=L2-L1，ΔR=R2-R1，设fL 为左边步进电机驱动的PPS ，fR 为右边步进电机驱动的PPS ，欲使两点间的运动曲线为直线，则应满足以下关系：

L R fR fL ??=

（式1）

而步进电机的转动方向则由ΔL 及ΔR 的正负来确定。实践证明，这种驱动方式可以得到平滑的直线轨迹。 3．循迹黑线的探测及循迹算法

在以画笔为中心，半径22毫米的圆周上安装了8个反射式红外对管作为轨迹探测传感器，安装方式如图3所示。

6

+1

模

8运算

图3 轨迹探测传感器安装方式 图4 方向调整示意图

根据图3安装方式及安装半径，只要系统的采样频率足够高，轨迹是无法脱离探测围的。但由于使用了8个传感器，不同传感器信号间的组合太多，使用一般穷举办法难以实现循迹控制，因此自己设计了一套循迹算法。

如图4，定义了物体循迹时运动的8个方向，图中黑箭头（1号方向上）表示物体当前的循迹方向。循迹时，使用变量Direct表示当前物体运动方向，物体每次运动时先按当前方向向前步进一段固定的距离，然后检测采样传感器信号并调整Direct，再沿新的Direct方向步进。由于所给的曲线是连续的，所以每次调整Direct只能是＋1或－1。如图4所示，Direct在需向左偏时则Direct 加1，需向右偏则减1，继续前进则保持不变。由于只有8个运动方向，所以对Direct的运算需在模8的围（0～7）进行。

现在考虑如何决定左偏或右偏的问题，使用上述调整办法只需要根据Direct 的前后方向及左右方向的四个信号对Direct调整即可。如图4中仅需根据1、3、5、7方向的信号对Direct调整。由于每个方向上±1和保持不变的传感器信号是一定的，故对8个方向上的调整策略用一个静态数组的形式保存起来，调整时直接查表即可，方便编程。这种循迹算法大减少了循迹运动的调试时间，为整个作品成功的完成打下了基础。

当每次步进的距离较小时，若在Direct方向的前、左、右三处的传感器同时发现是白纸，则表明传感器探测到了曲线的间断部分或尽头，此时应根据前几次（2～3次）Direct的平均值作为探索方向，再向前步进2～3步，保证循迹的正确停止。在取平均值时，需对7à0和0à7的转变作特殊处理，否则可能出错。

实践证明，按照上面的办法循迹迅速稳定，并且不会受交叉线的影响。由于轨迹线有一定宽度，实际的轨迹不可能转折得十分迅速，当步进距离较小时，甚至可以完成锐角的循迹。本系统使用的步进距离是8毫米，效果很好。

三、系统各模块电路设计及分析

1．步进电机驱动模块

图5为采用L297和L298所组成的步进电机驱动电路。

图5 四相步进电机驱动电路

2．LCD显示模块（略）

3．PS/2鼠标模块

本作品使用了240×128点阵式LCD作为显示工具，屏幕相对较大，故添加了PS/2鼠标作为输入设备。PS/2鼠标使用TTL逻辑电平，与单片机接口方便，使用串行数据传输方式工作，占用单片机IO口少，且价格便宜，是一种实用的外围设备。图6为PS/2鼠标接口的连接图。

图6 PS/2鼠标接口图

当系统启动时，鼠标需要完成初始化工作。本作品仿照个人电脑启动的方式完成了鼠标的初始化工作，并且最终将鼠标设置为如下方式：

工作模式：Stream 模式

采样速率：100采样点/秒

分辨率：4个计数值/毫米

缩放比例：1：1

数据报状态：禁止

滚轮功能：未开

没有使用滚轮功能，其数据包格式如表1所示。

表1 鼠标数据包格式