板球軌跡跟蹤控制器設計

韓沛宇 陳德麟 王 碩

沈陽航空航天大學 遼寧 沈陽 110136

0 前言

板球軌跡控制系統的的研究開始于上世紀八十年代末期，國內的學者開始將板球控制系統作為驗證控制算法的一種平臺。針對該研究，目前國內的研究狀況是清華大學模糊控制教研組于2000年前后開始對板球控制系統進行研究，提出了板球系統的T-S模糊控制方案，并在仿真環境下進行了軌跡規劃和跟蹤實驗，之后開發了基于視覺的板球控制系統仿真平臺，設計控制器并實現了對板球的穩定控制。

1 PID控制的基本理論

本系統主要應用PID算法來計算由電阻屏感應得到的位置與小球初始位置的偏差，并將信息傳給單片機，進一步改變輸出PWM的波形，從而控制舵機的偏角來實現對軌跡的跟蹤。因此PID控制是該課題研究的理論基礎。該系統的閉環控制框圖如圖1所示，其中由PID控制器能夠輸出對應的PWM參數進而控制舵機偏角。

圖1 板球系統的閉環控制框圖

由于本系統通過調節比例和微分環節的系數就可以較好的實現對小球軌跡的控制，因此不用調節積分項。

2 板球控制系統總體方案設計

板球控制系統的硬件結構基本組成框圖如圖2所示。

圖2 板球控制系統硬件總體框圖

根據設計要求，采用的方案如下。本課題設計的板球控制系統的硬件結構框圖如圖1所示。單片機ST M32作為整個系統的控制核心，根據接收到的各類信號進行分析判斷，產生合適的PWM波形傳給舵機驅動模塊并驅動舵機。舵機根據單片機所產生的PWM波形來控制平板的傾角。檢測模塊為電阻檢測屏，用來實時檢測小球的位置，并將信息傳送給主控核心ST M32單片機。顯示模塊LCD12864用來顯示小球所在的位置。

3 板球控制系統硬件電路的工作原理

3.1 ST M32模塊 該貨物抓取機器人選擇的是ST M32F103 RBT6作為主控板，其中ST M32的型號眾多，我們選擇這個型號的原因是看重其性價比，該芯片含有128K的FLASH、20K的SRAM、2個SPI、3個串口、1個USB、1個CAN、2個12位的ADC、RTC和51個可用IO腳。

3.2 板球控制系統檢測模塊 本系統選擇電阻觸摸屏作為檢測模塊的主要硬件。

該電阻觸摸屏的工作原理主要是通過壓力感應原理來實現對屏幕內容的操作和控制的，這種觸摸屏屏體部分是一塊與顯示器表面非常配合的多層復合薄膜。當手指觸摸屏幕時，平常相互絕緣的兩層導電層就在觸摸點位置有了一個接觸，因其中一面導電層接通Y軸方向的5 V均勻電壓場，使得偵測層的電壓由零變為非零，控制器偵測到這個接通后，進行A/D轉換，并將得到的電壓值與5 V相比，即可得觸摸點的Y軸坐標，同理得出X軸的坐標。

3.3 板球控制系統舵機驅動模塊 本系統采用L M2596芯片來對兩個舵機進行驅動。L M2596模塊是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3 A的驅動電流，同時具有很好的線性和負載調節特性。可調節輸出小于37 V的各種電壓。

3.4 顯示屏模塊 選擇LCD12864顯示屏作為顯示模塊的主要硬件。LCD電子顯示屏是一種通過控制半導體發光二極管的顯示方式，是由幾萬到幾十萬個半導體發光二極管像素點均勻排列組成。它利用不同的材料可以制造不同色彩的LCD像素點，以顯示文字、數字、圖形等各種信息的顯示屏幕。

4 結論及進一步設想

本文設計了一種基于PID控制方案使板球系統進行軌跡跟蹤控制。本次實驗所采取的控制方案在提高控制算法的執行效率、降低功耗的同時，能很好的改善板球系統的動、靜態性能。

基于目前的研究工作及在實物板球系統中發現的問題還可從如下幾個方面進行研究:

(1)建立板球系統的數學模型時，可以把系統的耦合特性、小球與球盤之間的摩擦力考慮在內，得到更為精確的數學模型，為以后對系統的仿真研究和為更多的控制算法研究奠定基礎。

(2)本文只進行了板球系統位置控制和定軌跡跟蹤控制的初級研究，在進一步的實驗中，可以嘗試跟蹤更復雜的軌跡曲線或者對小球在球盤上的避障控制進一步研究。