智能仪器技术 课件 23 智能仪器设计实例

智能仪器综合设计实

战滚球控制系统设计2017年全国大学生电子设计竞赛B题任务在边长为65cm光滑的正方形平板上均匀分布着9个外径3cm的圆形区域，其编号分别为1～9号，位置如图1所示。设计一控制系统，通过控制平板的倾斜，使直径不大于2.5cm的小球能够按照指定的要求在平板上完成各种动作，并从动作开始计时并显示，单位为秒。滚球控制系统设计2017年全国大学生电子设计竞赛B题要求---基本部分（1）将小球放置在区域2，控制使小球在区域内停留不少于5秒；（2）在15秒内，控制小球从区域1进入区域5，在区域5停留不少于2秒。（3）控制小球从区域1进入区域4，在区域4停留不少于2秒；然后再进入区域5，小球在区域5停留不少于2秒。完成以上两个动作总时间不超过20秒。（4）在30秒内，控制小球从区域1进入区域9，且在区域9停留不少于2秒。滚球控制系统设计2017年全国大学生电子设计竞赛B题要求---发挥部分（1）在40秒内，控制小球从区域1出发，先后进入区域2、区域6，停止于区域9，在区域9中停留时间不少于2秒。（2）在40秒内，控制小球从区域A出发、先后进入区域B、区域C，停止于区域D；测试现场用键盘依次设置区域编号A、B、C、D，控制小球完成动作。（3）小球从区域4出发，作环绕区域5的运动（不进入），运动不少于3周后停止于区域9，且保持不少于2秒。滚球控制系统设计2017年全国大学生电子设计竞赛/video/BV1FW411G7wu?from=search&seid=12505153148905802593B题视频资料设计报告滚球控制系统设计滚球控制系统设计2017年全国大学生电子设计竞赛机械结构方案分析1.平板的选择：平板可采用木质（细木工板、多层夹板）、金属、有机玻璃、硬塑料等材质，其表面应平滑，不得敷设其他材料，且边缘无凸起；基本思考：表面平滑、无形变、摩檫力适中选择1：亚克力板：平整、薄、易形变易产生划痕选择2：细木工板：平整、光滑、强度大、摩擦适中、不易变形。对比分析：选择2滚球控制系统设计2017年全国大学生电子设计竞赛机械结构方案分析2.支撑结构方案1：采用“顶”方式。使用4个丝杆电机放在板子的四周，同时控制4个电机改变板子的倾角。--结构坚固、板子整体称重小、不易变形，但是控制方式过于复杂。方案2：采用“拉”方式。将电机置于底板，细线另一头与平板相邻两边的中心连接。--向下拉的方式无法向上顶平板，考虑在细绳连接的对边固定重物，可以解决该问题，同时该结构控制简单，易搭建。对比分析：选择2滚球控制系统设计2017年全国大学生电子设计竞赛硬件结构方案分析1.位置检测方案选择方案1：矩阵式红外检测

红外传感器在平板上排成矩阵形状，检测小球位置。缺点：电路复杂。方案2：摄像头检测

图像检测小球相对平板区域的位置，处理后反馈给单片机。缺点：平板大，要悬挂在较高的地方才能检测足够大的区域。方案3：触摸屏精确判断小球位置，但成本高。（电阻屏）对比分析：选择2滚球控制系统设计2017年全国大学生电子设计竞赛硬件结构方案分析2.执行机构选择方案1：直流推杆电机

响应速度快，推力大、能驱动刚度强，质量较大的平板。--行程可控差，用PWM波控制行程存在非线性，且上下不对称，测试时间长，程序复杂。方案2：采用舵机结构紧凑、易于安装、控制简单。但相应周期必须大于20ms，不利于性能调试。方案3：采用步进电机

便于自动化控制，定位高，转矩波动小，低速运行平稳。对比分析：选择3滚球控制系统设计2017年全国大学生电子设计竞赛硬件结构方案分析2.执行机构选择方案1：直流推杆电机

步进电机是数字控制系统中一种执行元件，其功能是将（）转换成响应的角位移或者线位移直流电信号交流电信号计算机信号脉冲电信号ABCD提交单选题1分步进电机的输出特性是（）输出电压与转速成正比输出电压与转角成正比转速与脉冲量成正比转速与脉冲频率成正比ABCD提交单选题1分某步进电机转子有80个齿，采用三相六拍驱动方式，此时步进电机的步距角为（）1.5°0.75°3°6°ABCD提交单选题1分在自动控制系统中，步进电机通常用于控制系统的（）半闭环控制闭环控制开环控制前馈控制ABCD提交单选题1分滚球控制系统设计2017年全国大学生电子设计竞赛硬件结构方案分析2.执行机构选择方案2：采用舵机

滚球控制系统设计2017年全国大学生电子设计竞赛硬件结构方案分析3.角度检测方案选择方案1：角度传感器检测

由UZZ9001和KMZ41组成角度测量模块，利用举行磁铁配合测量磁铁和KMZ41之间的角度。UZZ9001配合将测量角度转换为数字信号。缺点：调试麻烦。方案2：六轴传感器检测

数据精确，误差小。对比分析：选择2滚球控制系统设计2017年全国大学生电子设计竞赛硬件结构方案分析滚球控制系统设计2017年全国大学生电子设计竞赛

滚球控制系统需要实现平板上小球的运动控制，而小球在平板上的加速度可以分解为x，y两个方向，即分别为正方形平板的一对邻边。因此系统其实就是通过控制电机，分别调节平板在x,y两个方向的倾斜角，从而实现平板的倾斜运动，控制小球的滚动。系统的总体方案滚球控制系统设计2017年全国大学生电子设计竞赛

系统的总体方案（1）水平调零

在小球运动控制前，首先对平板进行调零,即通过上、下按键，将平板调至水平位置，并在平板中心范围内放置小球验证是否水平，确定平板水平后,通过按键操作，记录当前步进电机的初始位置为零，在此后的控制运动中记录步进电机的偏移位置。（2）位置检测

通过摄像头实时检测小球位置，计算小球当前位置和目标位置的偏差，进行闭环反馈控制，最终消除偏差。滚球控制系统设计2017年全国大学生电子设计竞赛

系统的总体方案(3)

摄像头数据处理摄像头观测到的图像会存在畸变,故需对图像进行一定处理，消除图像的不准确性；或者通过实验对平板位置进行坐标标定，确保精确度。(4)

控制方法---二维解耦因为小球的低速度和加速度运动使得两个方向之间的相互影响可以忽略，所以可将板上的x和y方向解耦，对两个方向单独进行控制,通过两个独立的控制回路控制球的运动，一个循环控制球的x位置，另一个控制y位置。滚球控制系统设计2017年全国大学生电子设计竞赛

系统的总体方案（3）控制方法---闭环&.PID串级控制

板角度的任何小的变化将导致球的持续加速直到其离开板，因此,想要在板上实现稳定的球定位需要闭环控制。x轴和y轴的每个闭环控制回路由两部分组成：内环控制回路和外环控制回路。内环驱动步进电机进行步进数控制，外环为内环提供步进电机的步进数，依据当前位置和目标位置之差驱动步进电机。外环采用比例微分(PD)控制,内环采用比例控制。滚球控制系统设计2017年全国大学生电子设计竞赛

系统的总体方案滚球控制系统设计2017年全国大学生电子设计竞赛

系统的总体方案

单片机通过TM1638扫描按键状态信息