高麗，施豪，張輝

（安徽師范大學皖江學院，安徽蕪湖，241000）

0 引言

控制傳輸裝置一直是人們研究的課題。從古代的滾木傳輸?shù)浆F(xiàn)在的機械傳輸，傳輸?shù)姆绞揭恢痹谧?，但是在定位傳輸方面卻進展緩慢?，F(xiàn)如今，精確的定位傳輸更是時代發(fā)展的必須的產物，所以在次方向上展開了大量的研究，產生了很多新型的方案。其中滾球控制裝置是具有高效，精確控制等優(yōu)點，該模型提供了新的傳送思想，因此具有良好的發(fā)展前景。

1 總體結構

該滾球控制系統(tǒng)主要由矩陣鍵盤，紅外對管，嵌入式開發(fā)板以及舵機等外設組成，該模型方案整體框架圖如圖1所示。

圖1 方案整體框架圖

用矩陣鍵盤輸入數(shù)字1～9對應平面上的九個目標位置。紅外對管主要用來采集小球的坐標，根據(jù)采集的小球當前位置和目標位置的距離，通過單片機，利用PID算法計算出舵機的PWM值進行控制，使小球朝著要求的目標位置運動。

圖2 滾球控制模型示意圖

由于平板邊長為40cm，且要求紅外對管要對整個平板進行掃描定位小球位置，所以要求裝置底座結構穩(wěn)定，紅外對管密集且準確(如圖2所示)。平板材料方面，選用平滑摩擦力小材料與舵機傳動軸通過連桿連接，既能保證平面的穩(wěn)定，又可達到靈活控制目的。舵機選擇方面，既要保證推力夠大，能夠推動平面實現(xiàn)控制小球移動、以及小球到達目標位置快速穩(wěn)定。我們將平面左上角作為坐標系原點，平臺四角各放置一個舵機，利用舵機控制x、y軸可實現(xiàn)對平板各個方向傾斜的控制。

2 組件簡介

2.1 STM32F103ZET6嵌入式開發(fā)板

本次采用的是STM32F103ZET6，其是一款基于ARM Cortex-M 內核STM32系列的32位的微控制器，主頻高達72M，程序存儲器容量是512KB。

2.2 舵機介紹及選用

本次搭建模型使用Futaba S3010舵機。此舵機響應速度快，角度變化準確，同時輸出電壓在6V時扭矩可以達到6.5+1.3[Kg.cm]。

3 模型實現(xiàn)介紹

3.1 定位方法

小球在平面上會遮擋紅外接收管接收紅外光，然后改變該接收管的電平，我們通過掃描嵌入式開發(fā)板的I/O電平獲取這些I/O口中的唯一高電平位置，然后通過實際換算得到小球的坐標。

平面上有九個目標位置，目標位置的坐標是已知的，我們通過矩陣鍵盤輸入目標位置的序號，嵌入式開發(fā)板就會得到相應的目標位置的坐標。

圖3 獲取坐標原理圖

3.2 舵機運動處理

在獲取小球位置和目標位置的坐標后，我們可以得到兩個坐標之間的差值△x和△y，然后通過不斷地獲取之間的差值，使用增量式PID算法計算出每一個舵機的PWM值，控制平面的運動，進而控制小球往目標位置運動。

增量式PID算法：根據(jù)位置式PID控制公式，寫出n-1時刻的控制量：

3.3 定位誤差分析及解決方案

在紅外對管布置稀少的時候，很容易發(fā)生小球位置丟失的情況發(fā)生，為了能一直采集到小球的位置，加大了紅外對管的密度，使每兩個紅外對管之間的距離是小球的直徑。

4 程序及控制架構

程序整體設計流程圖如圖4所示。

在小球沒達到穩(wěn)定狀態(tài)時，紅外對管不斷的捕獲小球的位置，通過PID算法調整舵機的輸出占空比，以達到小球在目標位置穩(wěn)定，完成此次控制。

5 裝置測試及結果分析

5.1 裝置測試顯示結果

顯示結果部分主要由四個部分組成。首先是鍵盤模塊輸入的目標位置編號；我們在整個平面上預設9個目標位置，分別用數(shù)字成1～9進行標號，便于直觀的顯示目標位置的大致區(qū)域；接著是目標位置編號對應的預設坐標位置；然后是紅外對管掃描到的小球位置。最后是本次控制是否成功的標志。

圖4 程序流程圖

5.2 裝置分組測試及結果

為了確保該裝置能夠真實模擬實際環(huán)境，將測試環(huán)境設置為關閉照明燈，打開窗簾，自然采光，避免陽光直射的條件。

測試方案1：將小球放置平面上任意位置，鍵盤輸入目標位置1，觀察小球能否到達目標位置并穩(wěn)定。

測試方案1測試表

(10,10) (9.3,9.6) 0.7(10,10) (9.6,9.8) 0.4(10,10) (9.8,9.1) 0.9區(qū)域 目標位置 測試位置 實際位置 絕對誤差目標位置1 （10,10）

測試方案2：將小球放置平面上任意位置，鍵盤輸入目標位置4，觀察小球能否到達目標位置并穩(wěn)定。

測試方案2測試表

區(qū)域 目標位置 測試位置 實際位置 絕對誤差(20,10) (20.6,9.1) 0.9(20,10) (21,8.7) 1.3(20,10) (19.4,10.7) 0.7目標位置4 （20,10）

測試方案3：小球放置平面上任意位置，鍵盤輸入目標位置7，觀察小球能否到達目標位置并穩(wěn)定。

測試方案3測試表

區(qū)域 目標位置 測試位置 實際位置 絕對誤差(30,10) (30.6,9.2) 0.8(30,10) (29.5.11) 1(30,10) (29.3,10.2) 0.8目標位置7 （30,10）

5.3 裝置測試結果分析

上述測試結果表明該滾球控制系統(tǒng)能夠正確的實現(xiàn)小球穩(wěn)定停留目標位置，但是多數(shù)情況可以精確的實現(xiàn)到達目標位置。在顯示精度為2.5cm，實際測量精度為0.1cm的條件下實現(xiàn)了整體誤差小于2cm，

每次控制時間基本在30s以內?？傮w來說該裝置具有高效，控制精度較高的優(yōu)點。

6 結語

該滾球控制裝置，在定位模塊上使用紅外定位，與其他定位方式相比，具有定位速度快、復雜程度低和功耗低等特性。同時在控制模塊使用舵機，具有控制精度高，響應快等優(yōu)點。對于新型的定位傳輸方式有一定新的開拓與創(chuàng)新。同時在追求效率的時代，該裝置也為一些工業(yè)傳輸裝置的改進有一定的啟示作用。