板球控制系統的抗干擾電路設計與分析

王小會，李保印，薛延剛

(1.蘭州工業學院，甘肅 蘭州 730050；2.中電萬維信息技術有限責任公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

為研究非線性控制系統，尋找合適的檢驗平臺成為越來越多學者研究的課題，而板球控制系統以其非線性、多變量、強耦合的優勢作為研究自動化控制的媒介[1]。球體作為一種多變量非線性控制對象，研究其定點控制和軌跡運動對自動化控制有著重要意義。近年來，一些學者也做了許多關于板球系統的研究：Zhou等[2]采用OpenMV機器視覺模塊，以其自帶的STM32F765芯片為核心，集成的OV7725攝像機實時檢測并計算球在板上的位置，通過串級PID控制器計算數據，輸出PWM波控制舵機旋轉角度，設計了一種基于OpenMV的板球系統；Zheng等[3]通過研究板球系統的控制問題，運用順序細化算法的分段路徑規劃跟蹤技術，提出了一種基于BPS的魯棒快速視覺跟蹤解決方案，設計了一種板球控制系統；Cao等[4]采用四線電阻屏獲取球的位置，使用HC05藍牙模塊與手機通信，通過點擊手機屏幕隨時改變小球的定點，同時通過板球系統按鈕或手機APP控制指定的軌跡運動，設計了一種基于PID算法的板球控制系統；Jian等[5]采用Mega 2560作為主控制器、運用OpenMv圖像處理模塊、舵機執行模塊、顯示模塊和機械結構試驗臺完成硬件設計，采用PID控制算法，設計了一種基于圖像識別的滾球控制系統；徐涢基等[6]采用STM32控制器作為主控芯片，以0V7670攝像頭實時采集小球的位置信息，通過對小球速度采用比例-積分-微分算法，對小球位置采用比例-微分算法，設計了一種串級PID算法，共同對小球進行控制。這些文獻都研究了板球系統，但對系統硬件電路所產生的干擾信號沒有考慮。干擾信號是影響板球控制系統穩定性的重要因素。球體控制是否能夠精確地完成相應的要求，取決于系統受到外界干擾大小，所以設計板球系統的抗干擾電路很有必要。

1 干擾源分析

在傳播的過程中，信息有時會被阻斷或在傳遞過程中發生改變。這些因素使人們接收不到完整有用的信息。信號是表示信息的物理量，對有用信號的接收造成損傷就是干擾。干擾源、傳播路徑和敏感器件是導致干擾的3個基本要素。干擾會使器件本身的靈敏度降低，重點是會對有用信號產生影響，進而使實驗數據出現很大的誤差。

2 抗干擾措施

2.1 單片機系統抗干擾

單片機內部元器件在工作中會造成干擾，并通過電源線、信號線、地址線、分布電感和分布電容進行傳輸，可通過接地、屏蔽、隔離、濾波、抑制反電勢等方式減少干擾。

(1)接地：對于高頻電路，采用多點串聯方式；對于低頻電路，則采用單點并聯方式。

(2)屏蔽：使用銅、鋁、鋼等金屬材料制成的屏蔽體來屏蔽單片機周圍的電磁場和輻射場。

(3)隔離：一種是通過電源線和信號線分開走線，遠離高頻導線，適用于小信號、低電平的物理隔離方式。另一種是對收發信號的設備采用光電隔離，讓設備輸入端與輸出端的電流構不成流通的回路。

(4)濾波：在帶有負載的電路中，有時負載變化會產生噪聲電壓，噪聲電壓可以用電容、電感等儲能元件來抑制。

(5)抑制反電勢：電流通過含電感量的元件或設備時會產生反電動勢，可通過并聯二極管和穩壓管或并聯電阻和電容等方式抑制反電動勢。

2.2 圖像采集電路抗干擾

圖像采集電路是監測小球在平板上的運動狀態和位置，是整個系統最為重要的一環。OV7725攝像頭在圖像二值化處理時，它的邊沿檢測關系采集到的圖像是否完整。當圖像信號發生跳變，電壓比較器的輸入端會形成幅度差。在幅度差超過某一閾值時，電壓比較器輸出端會發生電平跳轉，從而輸出方波形式的圖像信號。

2.3 驅動電路抗干擾

驅動電路通過上位機PWM信號對電機進行控制。如將PWM信號由信號線直接輸入，舵機在運動過程中可能會出現抖動現象，降低舵機轉動的精度，可以在信號發送端和接收端加上光耦隔離電路以消除抖動干擾。光耦隔離電路原理如圖1所示。

圖1 光耦隔離電路原理

2.4 電源電路抗干擾

板球系統采用的電源是開關電源，在使用時會產生電磁噪聲干擾。在電網線路的外部干擾中，共模信號具有高頻、高幅特點。它會通過導線產生電磁輻射，對電源造成的較大干擾。抑制這種干擾需要在交流電源輸入端采用EMI濾波器，其電路原理如圖2所示。

圖2 EMI濾波電路

3 實驗結果

對板球控制系統進行未加抗干擾電路和加抗干擾電路控制實驗。將小球放置在60 cm×60 cm的平板上，以平板的長度作為橫坐標，寬度作為縱坐標。小球由初始位置(10 cm,50 cm)進入目標位置(30 cm,30 cm)，并在目標位置處停留，保持穩定，實驗測試結果如表1所示。

表1 板球系統控制實驗數據

根據表1的結果及板球系統實物控制實驗，未加抗干擾電路的板球系統，小球運動時振動幅度較大，而且到達目標位置并保持穩定的狀態需要較長的時間。而加入抗干擾電路的板球系統控制小球進入目標位置并保持穩定的狀態需要較短的時間，比未加抗干擾電路的板球系統少了2.1 s，距離目標位置更近，優于未加抗干擾電路的板球系統的性能。

4 結語

加入抗干擾電路之后，板球系統的快速性、準確性、穩定性等性能均優于未加抗干擾電路的系統，所以板球控制系統加入抗干擾電路后，控制性能得到很大提升。