光源自动跟踪系统课程设计解答
自动控制原理课程设计题目(A)
基于数字照度传感器的光源自动跟随系统设计分析
图１ 运行原理
功率耗量较少。
上述介绍的传感器，其总线接口为
数字输出型环境光传感器为16位，该系统支持单片机通信，此外，该系统功能在内置待机方面最为突出，待机期间通过
μA，能起到低电流引导的积极作用。
需要说明的是，这一型号传感器精度分类形式有三种，即低精度、高精度，其中，低精度分辨率为31 Lx，
；中精度分辨率为40 Lx，测量时间为15 ms
，测量时间为119 ms，由于显示的控制指令存在差所以应有依据地选择适合的模式。
系统实际设计的过程中，光照强度数量为四个，方向来源分别为上、下、左、右，前两个方向为一组，后两个方向为一组，分组工作完成后，进行组别对比，待组别差值达到要求后，自由转动电机，转动方。
光源自动跟踪系统设计系统建模
光源自动跟踪系统设计系统建模一、引言光源自动跟踪系统是一种能够自动调节光源方向的系统，可以在不同的环境下保持照明效果稳定，提高照明效率和舒适度。
本文将介绍该系统的设计和建模。
二、系统设计1. 系统组成光源自动跟踪系统由传感器、控制器和执行器三部分组成。
传感器负责检测环境亮度和人体位置，控制器根据传感器反馈的信息计算出最优的光源方向指令，执行器则根据指令调节光源方向。
2. 传感器选择为了实现对环境亮度和人体位置的检测，我们选择了光敏电阻和红外传感器作为传感器。
光敏电阻可以检测环境亮度，并将其转化为电信号输出；红外传感器可以检测人体位置，并将其转化为数字信号输出。
3. 控制算法控制算法是整个系统的核心部分，它决定了最终的光源方向。
我们采用PID控制算法来实现自动跟踪功能。
PID控制算法通过比较目标值与实际值之间的误差来调整输出量，从而实现对光源方向的控制。
4. 执行器选择为了实现对光源方向的调节，我们选择了舵机作为执行器。
舵机可以根据输入的PWM信号调整自身角度，从而实现对光源方向的调节。
三、系统建模1. 传感器模型光敏电阻和红外传感器都可以用简单的数学模型来描述。
光敏电阻的输出电压与环境亮度成反比，可以用以下公式表示：V = K / L其中V为输出电压，K为常数，L为环境亮度。
红外传感器可以将人体位置转化为数字信号输出。
我们假设人体位置在传感器正前方时输出最大值，离开传感器越远输出越小，并且在一定范围内保持线性关系。
因此，红外传感器的数学模型可以表示为：D = K * (1 - |x| / L)其中D为数字输出值，K、L为常数，x表示人体位置与传感器正前方的距离。
2. 控制算法模型PID控制算法是一种经典的控制算法，在工业自动化领域得到广泛应用。
其基本原理是通过比较目标值和实际值之间的误差来调整输出量，从而实现对被控对象的控制。
PID控制算法可以用以下公式表示：u(t) = Kp * e(t) + Ki * ∫e(t)dt + Kd * de(t) / dt其中u(t)为输出量，e(t)为误差，Kp、Ki、Kd分别为比例、积分、微分系数。
光电追踪系统的设计原理和实践
光电追踪系统的设计原理和实践光电追踪系统的设计原理和实践光电追踪系统是一种基于光电传感器和追踪算法的系统，可以实时监测和跟踪目标物体的运动轨迹。
它在许多领域有着广泛的应用，如自动驾驶、机器人导航和安防监控等。
本文将介绍光电追踪系统的设计原理和实践。
光电追踪系统的设计原理主要包括硬件和软件两个方面。
在硬件方面，系统使用光电传感器来接收光信号，并将其转换为电信号。
光电传感器通常采用光敏电阻、光电二极管或光电三极管等。
通过合理的电路设计和信号放大，可以提高光电传感器的灵敏度和抗干扰能力。
在软件方面，光电追踪系统需要进行目标的检测、识别和跟踪。
目标检测是指在图像或视频中找到目标物体的位置和大小。
常用的目标检测算法有Haar特征检测、HOG特征检测和深度学习等。
一旦目标被检测到，系统会使用跟踪算法来实时跟踪目标的位置和运动轨迹。
常见的跟踪算法有卡尔曼滤波、粒子滤波和相关滤波等。
这些算法可以根据目标的运动特征和环境条件，实现快速准确的目标跟踪。
在实践中，光电追踪系统的应用非常广泛。
例如，在自动驾驶中，光电追踪系统可以实时跟踪周围车辆和行人的位置和速度，从而实现自动驾驶车辆的安全行驶。
在机器人导航中，光电追踪系统可以帮助机器人识别和跟踪目标位置，实现自主导航和定位。
在安防监控中，光电追踪系统可以实时监测和跟踪可疑人员或物体的移动轨迹，提高安全性和保护效果。
然而，光电追踪系统也面临一些挑战和限制。
首先，光电传感器的灵敏度和分辨率会影响系统的跟踪精度和速度。
其次，环境因素如光照、背景干扰和目标遮挡等，也会对系统的性能产生影响。
此外，系统的实时性和算法的复杂度也是需要考虑的因素。
总结来说，光电追踪系统是一种基于光电传感器和追踪算法的系统，可以实现目标的实时监测和跟踪。
通过合理的设计原理和实践，光电追踪系统在许多领域有着广泛的应用。
然而，系统还面临一些挑战和限制，需要进一步研究和改进。
希望随着技术的发展和创新，光电追踪系统能够在更多的领域发挥其重要作用。
激光光线跟踪技术与系统设计
激光光线跟踪技术与系统设计激光光线跟踪技术是一种通过利用激光光束跟随目标物体运动的技术。
它广泛应用于各个领域，包括机器人导航、无人机控制、虚拟现实和增强现实等。
本文将探讨激光光线跟踪技术的原理、应用以及系统设计要素。
首先，让我们了解激光光线跟踪技术的工作原理。
激光光线跟踪系统通常由一个激光发射器和一个接收器组成。
发射器产生一束窄而密集的激光光束，然后通过光线控制装置将光束在空间中调整方向。
接收器用于接收反射回来的光线，并通过反射光的位置来确定目标物体的位置和运动轨迹。
在进行激光光线跟踪系统设计时，有几个关键要素需要考虑。
首先是激光的选择。
合适的激光器应该具备高功率、窄光束和稳定性的特点。
其次是激光光线控制装置的设计。
光线控制装置通常由镜片、反射器和偏振器等组成，它们共同作用以确保光线能够准确地对准目标物体。
另外，接收器的选择也是重要的一步。
接收器应该能够高效地接收反射光，并转换为电信号。
最后，还需要考虑系统的数据处理和算法。
通过对接收到的光线数据进行处理和分析，可以获得更加精确的目标物体位置和运动轨迹信息。
激光光线跟踪技术有着广泛的应用。
在机器人导航中，激光光线跟踪系统可以帮助机器人实时感知周围环境，并避开障碍物。
在无人机控制中，激光光线跟踪技术可用于无人机的自动驾驶和目标追踪。
在虚拟现实和增强现实中，激光光线跟踪技术可以用于精确定位用户的头部和眼睛位置，以实现更加逼真的虚拟体验。
在设计激光光线跟踪系统时，需要考虑一些关键技术挑战。
首先是光线传输的稳定性。
由于激光光线是一束高度聚焦的光束，其传输过程受到环境因素和光学变化的影响较大。
因此，需要采取一些措施来确保激光光线的稳定传输，如使用稳定的光源和高质量的光学元件。
其次是目标物体的识别和跟踪算法。
目标物体的识别和跟踪是整个系统的核心部分，需要采用高效的算法来实现快速而准确的目标检测和跟踪。
此外，设备的功耗和体积等工程问题也需要加以考虑。
总结起来，激光光线跟踪技术是一种通过利用激光光束跟随目标物体运动的技术。
太阳光自动跟踪系统课程设计
太阳光自动跟踪系统课程设计太阳光自动跟踪系统，听起来是不是有点高大上？其实说白了，就是一个能自动跟着太阳转的设备，简单点说，就是“阳光大追踪”。
你是不是已经想象到那个阳光照射下来，跟着阳光走，一直不离不弃的场景了？其实这就是太阳能发电的一个重要环节，咱们把它搞得聪明一点，让它自己动起来，追着太阳走，这样能更好地吸收阳光，提高发电效率。
不信？你往下看，保证让你眼前一亮。
咱得知道，太阳能发电要靠阳光。
你想呀，太阳一出来，咱们就等着吸收它的能量，但光照强度不同的时候，怎么能最有效地利用太阳能呢？这时候，咱们就得用太阳光自动跟踪系统了。
这个系统呢，通俗点说，就是给光伏电池板装上一双“眼睛”，让它能看到太阳，然后根据太阳的位置，自动调整角度。
就像咱们平常看电影的时候，电视遥控器能调节角度一样，太阳光自动跟踪系统就能调整光伏板的方向，使其始终对准太阳，保证最大限度地吸收太阳能。
你要是问，为什么不直接让太阳能板朝一个固定的方向就行了呢？唉，这问题可难不倒我。
因为太阳从早到晚的路径是不一样的。
早上从升起，下午落到西方，你要是把光伏板固定不动，太阳照射的角度就会一直变化，结果呢，电池板吸收的太阳能就不够多，效率也就大打折扣了。
对吧？就像你一整天都对着太阳背面站，怎么可能晒到好太阳？不过，太阳光自动跟踪系统就不同了，它能通过一系列巧妙的装置，全天候调节板子的角度，始终保持最优的光照位置。
这一切的核心其实就是那些传感器。
别看它们个头不大，作用可不小。
它们会感应太阳的位置，然后通过控制系统计算出光伏板应该转到什么角度。
然后，电机一启动，板子就开始转动，跟着太阳跑。
这过程啊，看着真是简单，实际操作起来，可是有一套复杂的技术在里面。
你想想，传感器得精确，电机得有劲，还得考虑到各种环境因素，比如风速、温度啥的。
这就像是在和太阳斗智斗勇，你追我赶，谁也不愿意掉队。
其实你仔细想想，太阳光自动跟踪系统就像是一个忠实的小跟班。
它总是默默地执行着它的任务，似乎没什么大不了的，但它的努力却决定了电池板的吸收效率。
点光源跟踪系统设计
ｍｏｏｓ ｒ ｅｌｓｒ ｅ ｓ ｎ ｃ ｕａｅｐ ｓ ｉｎｎ ． Ｍ３ ｔｐｃ ｌ ｏ ｓ ｎ—ｕｒｎ ｏ ｒｅｃｒｕｔｍｐｅ ｎｅ ｄｕｔｂｅ ｔｒ ｉ ｅ ｎ ｄａ ｃ ｌｔ ｏ ｉｏ ｉｇ Ｌ ｉａ ｃ ｎｔ ｔ ｒｅ ｔ ｕｃ ｉ ｉｉ ｌｍｅ ｔｓａｊ ｓ ｌ ｄｖ ａ ｐ ａ ｔ １ ｙ ７ ａ ｃ ｓ ｃ ａ ｓｏ ｅｔ ｄｕ ｔ Ｅ ｇ ｔ ｉ —５ ｍＡ． ｈ ｏｅｓｓ ｍ ｅｙｇ ｏ ｏ ｌｔｄｗｉ ｉ ｅｓｅ ｉ ｅ ａ ｇ ａ ｋｎ ｃ ｐ ａ ｊｓ Ｌ Ｄ ｌ ｈｓ ｎ１ ０３ ０ ｏ ｉ ５ Ｔ ｅｗｈ ｌ ｙ ｔ ｉ ｖ ｒ ｏ ｄｃ ｍｐｅ ｔ ｎｔ ｐ ｃｆ ｄｒｎ ｅｔ ｃ ｉｇ ｅ ｓ ｅ ｈ ｈ ｉ ｒ
１ 引言
文 中设计 的系统 是源 自于 ２ １ ０ ０年 Ｔ 杯湖北省 电子 Ｉ 设计 大赛 ， 要 求是设计 并制作 一个 能够检 测并指 示点 光源位置 的光源 跟踪 系统 ，系统示意 图如 图 １ 所示 。光 源 Ｂ使用单只 １ 白光 Ｌ Ｄ，固定在一支架上 。Ｌ Ｄ的 Ｗ Ｅ Ｅ 电流能够在 １ ０ ３ ０ ｍＡ ５ ５ ｍＡ 的范 围内调节 。初始状 态 下光 源 中心线与 支架 间的夹角约为 ６ 。 光源距地 面 ０，
ａ ｄ ｐ ｎ ｉ ｈ ｏ ｒ ｅ ｉ ｒｇ ｔ ｅ ｓｃ ａ ｇ ｓ ｉ ａ ｏ ｄ ａ ａ ｔ ｂ ｌｔ ． ｎ ｏｉ ｔｌｇ ｔｓ ｕ ｃ ｎ ｂ ｉ ｈ ｎ ｓ ｈ ｎ ｅ ， ｔｈ ｓ ｇ ｏ ｄ ｐ ａ ｉｉｙ ＫＥＹ ＯＲＤ Ｓ ｔ ｐ ｉ ｇ ｍｏ ｏ ； Ｓ ４ ０ ｈ ｔ ｃ ｎ ｕ ｔｖ ｅ ｉｔ ｎ ｅ ｃ ｎ ｔ ｎ — ｕ ｒ ｎ ｏ ｒ ｅ Ｗ ：ｓｅ ｐ ｎ ｔ ｒ Ｍ Ｐ ３ ；ｐ Ｏ Ｏ Ｏ ｄ ｃ ｉ ｅ ｒ ｓ ｓ ａ ｃ ； ｏ ｓ ａ ｔｃ ｒ ｅ ｔｓ ｕ ｃ
试析智能光源追踪器的设计
试析智能光源追踪器的设计前言随着社会和科技的发展，资源的需求量不断加大，光是地球上最丰富的可再生利用的绿色环保能源，在利用集热器收集它的热能或通过太阳能电池板将其转换成电能的工程中，都希望发挥最大效率。
本文采用的是TI公司LM3S811超低功耗单片机为控制核心，利用一些外围部件来实现对光源的自动追踪。
通过光源跟踪系统帮助受光平面跟随光源运动以获得充足的光达到最大利用率。
跟踪系统主要是一个单片机控制的机械运动机构，该系统具有半自动，跟随精度高，灵敏度高等优点[1]。
1、系统硬件的总体设计和各功能模块的选型。
总体设计是感光模块将采集到的光信号转换成变化的电信号，所有的电信号发送到模数转换电路，将模拟信号转换成8位数字信号，进而将数字信号传送到主控芯片LM3S811，在主控芯片里通过比较各路信号的大小来决定驱动步进电机的转动，从而达到探头追踪光源的目的。
其中，电机驱动模块可以细分驱动信号，进而可以使电机转动的平稳。
同时，本系统还可以通过按键调速电路来控制电机的转动速度，调速信号传输到主控芯片以后，通过改变PWM波的占空比来改变其功率，从而改变电机的转速。
此时此刻，电机的速度级别会在显示速度模块显示。
根据硬件总体设计图来对系统的各主要功能模块进行选型。
本次设计要求探测距离在100cm处，且能准确快速探测到光源，相比之下光敏三极管具有较宽的检测范围，且符合此次系统的要求，所以选择光敏三极管组成的光电转换模块来担当探头。
考虑到本系统使用的模拟信号输入总共有9路输入信号，本系统选择TLC2543芯片。
主控芯片选TI公司提供的LM3S811。
为了设计一个稳定精确的系统，使用混合式步进电机及带有细分功能的驱动模块。
2、追踪点光源方案选择取A、B、C、D、E、F、G、H、I九个同一型号的感光模块，以E为中心，A、C以BD直线对称表示竖直方向的，B、D以AC直线对称表示水平面的。
在整个系统的周围安置F、G、H、I，用于采集其他光源的影响。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3-光源自动跟踪系统课程设计解答
(总11页)
--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可--
--内页可以根据需求调整合适字体及大小--
指导教师评定成绩：
审定成绩：
重庆邮电大学
自动化学院
自动控制原理课程设计报告
设计题目：光源自动跟踪系统
单位（二级学院）：自动化学院
学生姓名： * * *
专业： ****
班级： * * * *
学号： ******
指导教师： * * *
设计时间： 20** 年 *月
重庆邮电大学自动化学院制
目录
一.题目 (3)
二.模型建立与求解 (4)
控制系统结构 (4)
光源检测模型 (4)
直流电机模型 (5)
三.性能验证和参数设计 (6)
根轨迹设计及频域分析 (6)
时域检验与速度信号测试 (7)
检测电路设计 (8)
一.课程设计题目
已知一光源自动跟踪系统，利用帆板上一对光敏元件检测光能，当帆板偏离光源时，光敏元件产生电压差并通过放大后驱动电机转动，使太阳能帆板对准光源，如图示,其中，电机3,1.75; 2.8310;a a c v a R L V K W -==⨯=*表示转子旋转产生的电动势0.093;v K =电机产生的电磁力矩*,0.0924;t t T K I K ==电机及负载的转动惯量623010J ms -=⨯;阻力矩为*,a T B W =其中3510B -=⨯.
要求完成的主要任务：
1、分析系统工作过程，建立数学模型，并画出结构图。
2、系统跟踪阶跃响应的时间为秒，超调量为小于5%，设计校正系统。
3、分析当该系统跟踪太阳转动时的性能。
4、设计光源检测放大装置，画出电路图并确定主要元件参数。
二、模型建立与求解
控制系统结构
依据检测、放大、电机三个模块，画出相应的控制结构图，如图2.
图 2 控制系统图
在这里,角度的输入和比较依靠物理的光线输入和检测以及系统结构布局来实现的.
光源检测系统模型
该光源跟踪系统主要由光线检测电路，电机驱动放大器，直流伺服电机三个模块组成。
两个完全相同的光敏传感器分别安装在帆板两边，用来检测光线是否正对该跟踪系统。
当光线满足入射条件时，两个光敏传感器检测到的光辐射强度几乎相等，否则讲表明帆板偏向受辐射少的一边。
两个感光器受到的辐射强度只差可以反馈给电机驱动器中，用来作为电机的误差信号，使帆板转向正确的位置。
图3. 光敏元件工作原理图
设光敏元件产生的电压和光的正投射面积成正比,系数为k*,则:
*0*0*00*0*1cos(60)
2cos(60)
21(cos(60)cos(60))2sin 60sin 3sin sin v k v k v v k k k k k θθθθθθθθ
=-∆=+∆-=-∆-+∆=∆=∆=∆≈∆
即:帆板与阳光的偏角将产生成正比的电压差,经过放大后驱动电机转动.
直流伺服电机模块
若他励直流电动机工作在恒定励磁状态，通过改变电枢电压a U 进行转速调节。
其工作原理图如下：
图 4. 直流伺服电动机工作原理图 设输入信号为电枢电压a U ，输出信号是电动机转角θ,根据基尔霍夫电路定律，电动机电枢回路的运动方程式为：
()a a a a C di t L R i U V dt
+=- （5） c v a v d V k k dt
θω== （6） 式中，a L ，a R ——电枢绕组的电感和电阻；
c V ——电动机的反电动势；
v k ——反电动势系数；
a ω——电动机转速。
由题目已知，电动机电磁转矩为
*t a T k i = （7）
式中，t k 为电动机的力矩系数。
当电机空转时，其转矩平衡方程为
22d d T J B dt dt
θθ=+ （8） 式中，J ——电动机轴上的转动惯量；
B ——阻尼系数。
将式（1）~（4）联立，消去中间变量a i ，得到：
3232()()a a a a v t t d d d JL JR BL R B k k k U dt dt dt
θθθ++++= （9） 将（5）式作拉氏变换，且令初始条件为0，得到：
32()()()()()()a a a a v t t JL s s JR BL s s R B k k s s k U s θθθ++++= （10）
所以电动机的传递函数如下：
1()G s =12(
)()()[()()]
t a a a a v t k s G s U s s JL s JR BL s R B k k θ==++++ （11） 代入题目已知参数后，得到：
1321088339()710181342G s s s s
=++ （12） （4）开环传递函数
根据图2.控制系统结构图，可以算出系统开环传递函数如下：
321088339()710181342O k G s s s s
=++ （13）
三、模型检验
绘制根轨迹图和波得图
根据其开环传递函数用matlab 仿真，作出其闭环阶跃响应图，如图8.
图5 开环根轨迹图
图6 开环波德图
可见,可以调整增益达到系统要求,由调节时间和超调量计算公式,当K 取20时,可满足要求.
验证:
图7 单位阶跃响应图
对于最后一问,当太阳移动时,角度为匀速度变化,输入为斜坡信号,因此,用速度信号激励系统,得:
图7 单位速度信号的响应图
可见,系统存在稳态误差,可由公式计算得, ess=1/k0=181342/=.
检测电路模块(参考)
检测电路部分，采用半桥差动结构，如图3。
将两个完全相同的光敏传感器分别安装在帆板两边，当光线在一定范围变化时，两个光敏传感器检测到的光辐射强度会不相同，且帆板偏向受辐射少的一边。
差动结构用来作为电机的误差信号，使帆板转向正确的位置。
图3. 光敏检测电路图
可见，该电桥的输出电压为 11
10112212
()[]()()S S R U E S S S S R R +∆=-+∆+-∆+ （1） 试中，1S 为光敏电阻，1S ∆为光敏电阻变化量。
取121S S R ∆=∆=∆,为便于表达和计算，将光敏电阻变化量看成电阻阻值变化量。
1212S S R R ===，则得到：
101
R U E R ∆= （2） 而且0U 于1R ∆呈线性关系，且电压灵敏度比单臂高了一倍，能有效减少误差。
根据光敏电阻伏安特性，如图4
图4.光敏电阻伏安特性图
可见21R k θ∆=，（1θ为输入光源与帆板夹角）代入（2）式得到 021U Ek R θ
= （3） 根据光敏电阻伏安特性曲线，作光敏电阻阻值与偏转角度（1R θ-）对应关系图，如下：
图5.光敏电阻阻值与偏转角关系
根据图形可以看出当偏角为0度时，即光敏电阻没有接受到光源时，电阻R=2k Ω；
当偏角为60度，即光源垂直照射该系统时，电阻R=1k Ω。
所以公式（3）中，11R k =Ω。
取电源电压E=30V ，从图5得到2100k =。
所以021()3U G s θ=
=。
2.驱动电压放大模块
为便于计算，这里采用同相比例放大器。
如图6。
图6.驱动放大电路 同相比例放大电路放大倍数关系如下：
413
1R k R =+ (4)
选480R k =Ω，310R k =Ω则有1k =9。
设起传递函数为3()G s ，则有
31()9G s k ==。