板球轨迹跟踪控制器设计

韩沛宇 陈德麟 王 硕

沈阳航空航天大学 辽宁 沈阳 110136

0 前言

板球轨迹控制系统的的研究开始于上世纪八十年代末期，国内的学者开始将板球控制系统作为验证控制算法的一种平台。针对该研究，目前国内的研究状况是清华大学模糊控制教研组于2000年前后开始对板球控制系统进行研究，提出了板球系统的T-S模糊控制方案，并在仿真环境下进行了轨迹规划和跟踪实验，之后开发了基于视觉的板球控制系统仿真平台，设计控制器并实现了对板球的稳定控制。

1 PID控制的基本理论

本系统主要应用PID算法来计算由电阻屏感应得到的位置与小球初始位置的偏差，并将信息传给单片机，进一步改变输出PWM的波形，从而控制舵机的偏角来实现对轨迹的跟踪。因此PID控制是该课题研究的理论基础。该系统的闭环控制框图如图1所示，其中由PID控制器能够输出对应的PWM参数进而控制舵机偏角。

图1 板球系统的闭环控制框图

由于本系统通过调节比例和微分环节的系数就可以较好的实现对小球轨迹的控制，因此不用调节积分项。

2 板球控制系统总体方案设计

板球控制系统的硬件结构基本组成框图如图2所示。

图2 板球控制系统硬件总体框图

根据设计要求，采用的方案如下。本课题设计的板球控制系统的硬件结构框图如图1所示。单片机ST M32作为整个系统的控制核心，根据接收到的各类信号进行分析判断，产生合适的PWM波形传给舵机驱动模块并驱动舵机。舵机根据单片机所产生的PWM波形来控制平板的倾角。检测模块为电阻检测屏，用来实时检测小球的位置，并将信息传送给主控核心ST M32单片机。显示模块LCD12864用来显示小球所在的位置。

3 板球控制系统硬件电路的工作原理

3.1 ST M32模块 该货物抓取机器人选择的是ST M32F103 RBT6作为主控板，其中ST M32的型号众多，我们选择这个型号的原因是看重其性价比，该芯片含有128K的FLASH、20K的SRAM、2个SPI、3个串口、1个USB、1个CAN、2个12位的ADC、RTC和51个可用IO脚。

3.2 板球控制系统检测模块 本系统选择电阻触摸屏作为检测模块的主要硬件。

该电阻触摸屏的工作原理主要是通过压力感应原理来实现对屏幕内容的操作和控制的，这种触摸屏屏体部分是一块与显示器表面非常配合的多层复合薄膜。当手指触摸屏幕时，平常相互绝缘的两层导电层就在触摸点位置有了一个接触，因其中一面导电层接通Y轴方向的5 V均匀电压场，使得侦测层的电压由零变为非零，控制器侦测到这个接通后，进行A/D转换，并将得到的电压值与5 V相比，即可得触摸点的Y轴坐标，同理得出X轴的坐标。

3.3 板球控制系统舵机驱动模块 本系统采用L M2596芯片来对两个舵机进行驱动。L M2596模块是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3 A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。可调节输出小于37 V的各种电压。

3.4 显示屏模块 选择LCD12864显示屏作为显示模块的主要硬件。LCD电子显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，是由几万到几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。它利用不同的材料可以制造不同色彩的LCD像素点，以显示文字、数字、图形等各种信息的显示屏幕。

4 结论及进一步设想

本文设计了一种基于PID控制方案使板球系统进行轨迹跟踪控制。本次实验所采取的控制方案在提高控制算法的执行效率、降低功耗的同时，能很好的改善板球系统的动、静态性能。

基于目前的研究工作及在实物板球系统中发现的问题还可从如下几个方面进行研究:

(1)建立板球系统的数学模型时，可以把系统的耦合特性、小球与球盘之间的摩擦力考虑在内，得到更为精确的数学模型，为以后对系统的仿真研究和为更多的控制算法研究奠定基础。

(2)本文只进行了板球系统位置控制和定轨迹跟踪控制的初级研究，在进一步的实验中，可以尝试跟踪更复杂的轨迹曲线或者对小球在球盘上的避障控制进一步研究。