基于PID的自動(dòng)臺(tái)球機(jī)安全運(yùn)球控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?

耿云飛 程 媛

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 青島266061）

1 引言

隨著生活水平的提高，娛樂(lè)也變得多樣化，起源于英國(guó)和法國(guó)的臺(tái)球在中國(guó)娛樂(lè)活動(dòng)中迅速普及的同時(shí)，產(chǎn)生了中式16球的臺(tái)球娛樂(lè)玩法，針對(duì)臺(tái)球的收集以及擺放的繁瑣性，設(shè)計(jì)一套自動(dòng)擺放臺(tái)球的裝置，解決需人力擺球的缺陷，整套設(shè)備由STM32F407ZGT6作為控制核心，其屬于ARM系列的單片機(jī)具有144個(gè)引腳，可以增添拓展外部硬件設(shè)備，增加運(yùn)球裝置的其他功能，同時(shí)能更好地方便人的操作，使裝置設(shè)備個(gè)具有人性化，另外STM32F407具 有 的32位 定 時(shí) 器，1MBFLASH，192KBSRAM，I2C，192KBSRAM，可以保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的可操作性。以步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，驅(qū)使放置在臺(tái)球桌下的臺(tái)球機(jī)裝置從臺(tái)球桌下伸出，加入PID控制以及直線與拋物線加減速方法控制步進(jìn)電機(jī)快速的移動(dòng)出臺(tái)球桌底，結(jié)合接近開關(guān)，紅外傳感器，實(shí)現(xiàn)臺(tái)球機(jī)安全快速準(zhǔn)確到達(dá)指定位置的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 運(yùn)球裝置結(jié)構(gòu)原理

為實(shí)現(xiàn)臺(tái)球可以準(zhǔn)確快速的到達(dá)預(yù)定位置，本裝置用MC442步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，利用其精準(zhǔn)可控性為整套設(shè)備的動(dòng)力源，底盤電機(jī)1驅(qū)動(dòng)設(shè)備平臺(tái)4及整套設(shè)備駛出桌底，到達(dá)指定位置后，平臺(tái)電機(jī)兩驅(qū)動(dòng)支臂6到達(dá)垂直于平臺(tái)的位置，同時(shí)由轉(zhuǎn)臂電機(jī)3將載球裝置5運(yùn)至預(yù)設(shè)置球點(diǎn)如圖2，球放置后，再驅(qū)動(dòng)電機(jī)3反轉(zhuǎn)將運(yùn)動(dòng)載球裝置5反轉(zhuǎn)90°收回，將其中關(guān)鍵點(diǎn)由接近開關(guān)點(diǎn)輔助控制同時(shí)平臺(tái)電機(jī)2反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，使支臂6收回，最后底盤電機(jī)1反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，將裝置移會(huì)起始點(diǎn)如圖1，等待下一次驅(qū)動(dòng)，其中位置關(guān)鍵點(diǎn)由接近開關(guān)及電磁開關(guān)決定，由步進(jìn)電機(jī)控制作為輔助，完成整個(gè)設(shè)備的基本的運(yùn)動(dòng)原理流程。

圖1 運(yùn)球裝置初始位置

圖2 運(yùn)球裝置終止位置

3 控制系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

由其他設(shè)備將臺(tái)球按規(guī)則擺放在載球裝置5中，擺放完畢后由檢測(cè)開關(guān)給出信號(hào)，stm32接收到信號(hào)后，由LM393電壓比較器為控制核心的紅外傳感器檢測(cè)前方一定距離運(yùn)行路徑是否有障礙存在，檢測(cè)順暢后，開始給驅(qū)動(dòng)器MC442信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，按照所給的直線加拋物線加減速曲線方法，同時(shí)運(yùn)用YS-27電機(jī)測(cè)速器由PID算法參與計(jì)算調(diào)節(jié)控制PWM的周期實(shí)現(xiàn)直線加拋物線的加減速曲線不同時(shí)間段的加減速，縮短裝置從桌底駛出的時(shí)間，當(dāng)運(yùn)行路徑遇到障礙時(shí)，蜂鳴器會(huì)得到信號(hào)開始示警，當(dāng)過(guò)5s后障礙依然存在時(shí)，底盤電機(jī)會(huì)由進(jìn)行前進(jìn)一定距離后退至原位進(jìn)行觸感提醒，兩次后退回起始點(diǎn)等待重新啟動(dòng)。

4 系統(tǒng)硬件電路

4.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路

裝置使用TB6600兩相混合式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，使用其良好的高速性能以及令電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，較小的噪音特點(diǎn)提高娛樂(lè)活動(dòng)的環(huán)境舒適性以及置球過(guò)程中的穩(wěn)定性控制電路如圖3。

圖3 驅(qū)動(dòng)器電路

4.2 障礙傳感器電路

對(duì)于是否運(yùn)行路徑中存在障礙，采用紅外傳感器進(jìn)行檢測(cè)，利用紅外接收發(fā)射兩個(gè)二極管進(jìn)行檢測(cè)前方障礙的存在，由LM393對(duì)接收到信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，確定障礙物距離設(shè)備的安全距離，其中LM393具有減少因?yàn)闇囟纫鸬氖д{(diào)電壓的功能，是一種高精度的單電源供電的比較器，同時(shí)可以通過(guò)改變R23的最值調(diào)整安全范圍，是設(shè)備及人的安全得到保證，提高娛樂(lè)的安全指標(biāo)電路圖如圖4。

圖4 測(cè)障電路

4.3 其他輔助電路設(shè)計(jì)

1）測(cè)速傳感器電路

選擇槽型光耦模塊安裝在齒輪處，依靠齒輪齒輪間隙有遮擋時(shí)輸出高電平，沒(méi)遮擋時(shí)輸出低電平，同時(shí)也應(yīng)用了LM393電壓比較器進(jìn)行電機(jī)的速度檢測(cè)，為調(diào)節(jié)電機(jī)速度，控制裝置外移的運(yùn)動(dòng)速度提供反饋參數(shù)，以便控制電機(jī)的啟停、加減速提高裝置的運(yùn)行的效率，連接電路圖如圖5。

圖5 測(cè)速傳感器電路

2）定位點(diǎn)電器

接近開關(guān)采用E3Z-D61光電開關(guān)，利用可靠穩(wěn)定性，以及頻率響應(yīng)快的特點(diǎn)作為關(guān)鍵點(diǎn)位置啟停裝置，其中采用光電開關(guān)可以避免電機(jī)與開關(guān)的接觸殘生噪音，增加接近開關(guān)的使用壽命。

采用電磁閥ZYE1-0530Z的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性以及其扣環(huán)和橡膠墊帶來(lái)的靜音作用控制載球裝置5與支臂6垂直角度，有效準(zhǔn)確地控制轉(zhuǎn)臂電機(jī)3的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，使載球裝置5到達(dá)預(yù)期位置點(diǎn)。

3）蜂鳴器電路

蜂鳴器的存在是保證設(shè)備可以安全順利運(yùn)行的必備器件，當(dāng)設(shè)備開始使用時(shí)作為聲音提示，同時(shí)還對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行示警，遇到路徑障礙問(wèn)題時(shí)進(jìn)行蜂鳴提醒，保證運(yùn)球過(guò)程的安全順暢，電路圖如圖6。

圖6 蜂鳴器控制電路

5 裝置速度調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

5.1 調(diào)速過(guò)程設(shè)計(jì)

底盤電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中需要調(diào)節(jié)速度為增加裝置駛出桌底的速度，同時(shí)減少因速度過(guò)快產(chǎn)生慣性位移，避免發(fā)生撞擊，提高裝置移動(dòng)位移的精度。采用將直線加拋物線的曲線參數(shù)輸入PID算法中，計(jì)算出不同階段的速度PWM的指令周期通過(guò)電機(jī)測(cè)速傳感器得出反饋信號(hào)，進(jìn)行PID算法處理后經(jīng)得到的數(shù)值傳送到stm32芯片中驅(qū)動(dòng)調(diào)速器進(jìn)行調(diào)速，達(dá)到預(yù)想效果，控制過(guò)程如圖7。

圖7 調(diào)速過(guò)程圖

5.2 速度加減速度曲線

設(shè)備采用直線加拋物線加減速曲線設(shè)定不同時(shí)間段的速度，縮短設(shè)備到達(dá)預(yù)設(shè)點(diǎn)的運(yùn)行時(shí)間，直線加拋物線曲線可以有效地控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，提高控制速度的升降效率，直線加拋物線曲線升降速原理如圖8，在AB段進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)，BC段進(jìn)行減加速度運(yùn)動(dòng)，CD段進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)，DE段進(jìn)行減速加速度運(yùn)動(dòng)，EF段進(jìn)行減速運(yùn)動(dòng)。

圖8 直線加拋物線加減速

5.3 PID控制算法

裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)由PID算法進(jìn)行控制，PID控制算法在閉環(huán)控制過(guò)程中，可以根據(jù)檢測(cè)的數(shù)據(jù)作為反饋信號(hào)與預(yù)期值進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)PID的比例、積分、微分進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而控制驅(qū)動(dòng)器來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的加減速，PID控制原理圖如圖9。

圖9 PID控制原理框圖

PID算法控制器可以由過(guò)程的動(dòng)態(tài)過(guò)程實(shí)時(shí)整定的一種線性控制器，e(t)為檢測(cè)值c(t)與預(yù)想設(shè)定的實(shí)際值r(t)之間的偏差：

將偏差通過(guò)比例、積分和微分根據(jù)過(guò)程動(dòng)態(tài)特征通過(guò)線性組合整定構(gòu)成控制量，控制量輸出為

由式（2）得PID控制規(guī)律傳遞函數(shù)為

Kp、Ti、TD分別為比例、積分、微分系數(shù)。

將第k次的采樣時(shí)PID算法式（2）離散化，可得：

6 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)控制過(guò)程中，有三個(gè)制動(dòng)電機(jī)，以及其他的輔助器件，程序初始化后，得到上位機(jī)信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)裝置到達(dá)指定位置，需要三步。

第一步，由紅外線傳感器檢測(cè)路障，隨后驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行由PID算法計(jì)算模擬直線加拋物線加減速曲線圖，縮短運(yùn)行時(shí)間，提高效率。

第二步，檢測(cè)到接近開關(guān)返回信息后，再有平臺(tái)電機(jī)，再由算法控制到達(dá)指定位置。

第三步，由電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電磁閥定位轉(zhuǎn)臂角度，將臺(tái)球準(zhǔn)確地放置在預(yù)設(shè)的臺(tái)球桌上，如圖10。

圖10 系統(tǒng)控制流程圖

7 數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)分析

由載球裝置完成裝球給出STM32可行指令后，由紅外傳感器及蜂鳴器警示路徑狀況，提高了人身娛樂(lè)安全程度，同時(shí)采用直線加拋物線曲線步進(jìn)電機(jī)算法控制，通過(guò)PID的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)從表1可以看出裝置運(yùn)行的時(shí)間顯著縮短，提高了運(yùn)球的效率。

表1 裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)間對(duì)比表

8 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)臺(tái)球機(jī)裝置的運(yùn)球過(guò)程和娛樂(lè)性質(zhì)進(jìn)行研究分析，為了達(dá)到娛樂(lè)安全和時(shí)間節(jié)約的目的，設(shè)計(jì)由紅外傳感器檢測(cè)保證安全，針對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性，通過(guò)定時(shí)器及PID算法控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率，模擬出直線加拋物線曲線圖，優(yōu)化減少裝置的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，在類似設(shè)備研發(fā)設(shè)計(jì)中有一定的參考價(jià)值。