甘富升 黃傳容 西南科技大學(xué)

1. 背景技術(shù)

控制理論的研究隨著科學(xué)技術(shù)的飛速向前發(fā)展，當(dāng)今以穩(wěn)定、精確快速跟蹤為主要方向的位置伺服系統(tǒng)，在非常多的領(lǐng)域得到了特別廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在各種交叉領(lǐng)域的相互聯(lián)系與滲透，都對(duì)控制系統(tǒng)與控制理論的日益創(chuàng)新、蓬勃發(fā)展起到了至關(guān)重要的關(guān)系。目前通過(guò)模糊控制、系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等等新的方法實(shí)現(xiàn)了解決目標(biāo)軌跡精確跟蹤等復(fù)雜問(wèn)題的方法，對(duì)機(jī)器人控制、航空航天控制以及軍用機(jī)械相關(guān)起到了重要的作用。

板球系統(tǒng)作為傳統(tǒng)的桿球系統(tǒng)的擴(kuò)展，是一種典型的不穩(wěn)定、強(qiáng)耦合、多輸入輸出(MIMO)的非線性控制系統(tǒng)，在板球系統(tǒng)的控制研究中也涉及了許多關(guān)于定點(diǎn)控制、穩(wěn)定控制、軌跡跟蹤、路徑規(guī)劃及繞障控制等問(wèn)題，其涉及面廣泛且有許多問(wèn)題待以研究和解決，它是控制理論研究的一個(gè)經(jīng)典對(duì)象，存在著各種各樣的挑戰(zhàn)與問(wèn)題，故對(duì)板球控制系統(tǒng)的相關(guān)研究具有很重要的意義。

2. 系統(tǒng)概述

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，提供的一種基于磁場(chǎng)檢測(cè)的板球控制系統(tǒng)，解決了金屬小球在平衡板上可以從任意起點(diǎn)到達(dá)任意終點(diǎn)的問(wèn)題。

為了達(dá)到以上目的，采用的技術(shù)方案為：

本方案提供一種基于磁場(chǎng)檢測(cè)的板球控制系統(tǒng)，包括機(jī)械子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)，其中，所述機(jī)械子系統(tǒng)包括金屬小球、底座、平衡板、萬(wàn)向節(jié)、舵機(jī)和支架，所述舵機(jī)安裝在所述底座上，并通過(guò)所述萬(wàn)向節(jié)與所述平衡板連接，所述平衡板通過(guò)所述萬(wàn)向節(jié)安裝在所述支架上，所述金屬小球位于所述平衡板上，所述控制子系統(tǒng)包括電源模塊、控制器、磁場(chǎng)定位裝置、姿態(tài)傳感器、按鍵模塊和顯示模塊，所述控制器的信號(hào)輸入端連接至所述按鍵模塊，所述控制器的信號(hào)輸出端連接至所述舵機(jī)的信號(hào)輸入端，所述磁場(chǎng)定位裝置的信號(hào)輸出端分別連接至所述顯示模塊的信號(hào)輸入端和所述控制器，所述姿態(tài)傳感器的輸出端與所述控制器連接，所述電源模塊分別與所述控制器、磁場(chǎng)定位裝置、姿態(tài)傳感器、按鍵模塊和顯示模塊電性連接，所述控制器、顯示模塊和電源模塊均安裝在所述底座上，所述磁場(chǎng)定位裝置和姿態(tài)傳感器均安裝在所述平衡板上。

作為優(yōu)選，所述控制器為STM32F103ZET6單片機(jī)。

作為優(yōu)選，所述姿態(tài)傳感器為MPU6050電子陀螺儀姿態(tài)傳感器。

進(jìn)一步地，所述姿態(tài)傳感器的輸出端通過(guò)串口與所述控制器連接。

再進(jìn)一步地，所述磁場(chǎng)定位裝置為平面銅線圈，且附于所述平衡板上。

再進(jìn)一步地，所述電源模塊為直流穩(wěn)壓電源模塊。

再進(jìn)一步地，所述顯示模塊為3.2寸USART串口屏。

3. 有益效果

（1）利用磁場(chǎng)檢測(cè)和控制電路使平衡板按照一定角度擺動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)金屬小球在平衡板上完成各種指定動(dòng)作，且數(shù)據(jù)處理快，精度高，功耗低，穩(wěn)定性好；

（2）通過(guò)磁場(chǎng)定位裝置確定金屬小球在平衡板上的位置，通過(guò)按鍵模塊給控制器發(fā)出指令，然后通過(guò)姿態(tài)傳感器采集平衡板姿態(tài)參數(shù)，計(jì)算得到平衡板的傾斜角，最后通過(guò)PID調(diào)節(jié)對(duì)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)金屬小球在平衡板上可以從任意起點(diǎn)到達(dá)任意終點(diǎn)，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小巧；

（3）采用單片機(jī)STM32F103ZET6作為控制器，不僅數(shù)據(jù)處理快，而且精度高，有效地實(shí)現(xiàn)了快速精準(zhǔn)地控制；

（4）采用MPU6050姿態(tài)傳感器，不僅精度高、穩(wěn)定性好、性能高、功耗低，而且還便于準(zhǔn)確計(jì)算平衡板角度參數(shù)；

（5）采用直流穩(wěn)壓電源模塊，減小了紋波，保證了電壓的穩(wěn)定，進(jìn)一步提高了穩(wěn)定性；

（6）磁場(chǎng)定位裝置采用平面銅線圈，且整個(gè)銅線圈附在平衡板上，有效地保證金屬小球在銅線圈的范圍內(nèi)，從而使識(shí)別位置準(zhǔn)確，進(jìn)一步提高了精度。

4. 實(shí)施方式

提供了一種基于磁場(chǎng)檢測(cè)的板球控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括機(jī)械子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)，其中，所述機(jī)械子系統(tǒng)包括金屬小球1、底座2、平衡板3、萬(wàn)向節(jié)4、舵機(jī)5和支架6，所述舵機(jī)5安裝在所述底座2上，并通過(guò)所述萬(wàn)向節(jié)4與所述平衡板3連接，所述平衡板3通過(guò)所述萬(wàn)向節(jié)4安裝在所述支架6上，所述金屬小球1位于所述平衡板3上，舵機(jī)5通過(guò)帶動(dòng)萬(wàn)向節(jié)4的運(yùn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)平衡板3在一定空間內(nèi)擺動(dòng)，從而使平衡板3上的金屬小球1移動(dòng)到相應(yīng)位置；控制子系統(tǒng)包括用于輸出控制信號(hào)來(lái)控制舵機(jī)5的采用型號(hào)為STM32F103ZET6單片機(jī)的控制器8、用于確定金屬小球1位置的磁場(chǎng)定位裝置9、用于計(jì)算平衡板3角度信息的采用型號(hào)為MPU6050電子陀螺儀的姿態(tài)傳感器10、用于顯示金屬小球1在平衡板3上的位置信息的顯示模塊12、用于發(fā)布執(zhí)行操作的按鍵模塊11以及為上述各功能模塊提供工作電壓的電源模塊7，所述控制器8的信號(hào)輸入端連接至所述按鍵模塊11，所述控制器8的信號(hào)輸出端連接至所述舵機(jī)5的信號(hào)輸入端，所述磁場(chǎng)定位裝置9的信號(hào)輸出端分別連接至所述顯示模塊12的信號(hào)輸入端和所述控制器8，所述姿態(tài)傳感器10的輸出端通過(guò)串口與所述控制器8連接，所述控制器8、舵機(jī)5、顯示模塊12和電源模塊11安裝在底座2上，磁場(chǎng)定位裝置9和姿態(tài)傳感器10安裝在平衡板上3。在平衡板3上，保證金屬小球1在銅線圈的范圍內(nèi)，從而使識(shí)別位置準(zhǔn)確，顯示模塊12采用3.2寸USART串口屏，與磁場(chǎng)定位裝置9相連，實(shí)時(shí)輸出金屬小球1在平衡板3上的位置，平衡板3采用玻璃纖維，使用激光切割，保證平衡板3的平整性，姿態(tài)傳感器10安裝在平衡板3表面，通過(guò)姿態(tài)解算器，配合動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波算法，在動(dòng)態(tài)環(huán)境下輸出平衡板3的當(dāng)前姿態(tài)信息，并將相關(guān)信息通過(guò)串口傳輸至控制器8，控制器8將從姿態(tài)傳感器10接收到的姿態(tài)信息進(jìn)行處理，通過(guò)PID調(diào)節(jié)使舵機(jī)5轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)5的閉環(huán)控制，按鍵模塊11給控制器8發(fā)送模式指令，來(lái)控制金屬小球1的運(yùn)動(dòng)模式，舵機(jī)5通過(guò)萬(wàn)向節(jié)4與平衡板3相連接，舵機(jī)5在控制器8的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)平衡板3擺動(dòng)，從而使金屬小球1滾動(dòng)到特定的位置上。具體見(jiàn)圖一。

圖一

5. 總結(jié)

控制器8采用型號(hào)為STM32F103ZET6的單片機(jī)作為控制芯片，并在控制電路板上設(shè)有與控制芯片配置的外圍電路，其分別與采用型號(hào)為MPU6050電子陀螺儀的姿態(tài)傳感器10及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路13連接，其電路結(jié)構(gòu)屬于現(xiàn)有技術(shù)，本領(lǐng)域技術(shù)人員基于電子電路的基本常識(shí)和本實(shí)施例闡述的內(nèi)容可自行配置。