悬挂运动控制系统
摘要：悬挂轨迹控制系统是一个电机控制系统，控制物体在80cm×100cm的围作直线、圆、寻迹等运动，并且在运动时能显示运动物体的坐标。设计采用STC89C58单片机作为核心器件实现对物体运动轨迹的自动控制，采用脉冲宽度调制技术控制步进电机28byj48驱动芯片L293，以实现对电机的工作状态进行快速而准确的控制。采用红外光电传感器st178实现检测电机速度和画板上黑色曲线轨迹。
关键词：运动轨迹；红外反射光电传感；步进电机驱动，寻轨
引言
运动控制是自动化技术的重要组成部分，是机器人等高技术领域的技术基础，已取得了广泛的工程应用。运动控制集成了电子技术、电机拖动、计算机控制技术等容，例如在工厂、码头往往需要将货物从一点搬往另一点，如使用悬挂控制系统更方便、安全。在此基础上还可设计成基于三线悬挂结构的运动控制装置。所谓三线悬挂是指，将三根缆线系于一点并悬挂重物，且三根缆线分别挂在三个固定滑轮上，其长度由电机驱动的三个绕线轮分别控制，从而控制悬挂重物在三维空间中的位置。其中原理和悬挂轨迹控制系统是一样的。
本系统所涉及的核心问题主要有：
1、对电机的控制从而进行快速而准确的控制，以保证悬挂物体按照预先设定或即时设定的运动轨迹运行。
2、为保证该运动物体能在尽可能短的时间按设定运动轨迹从起始点到达目标点，还需要相应的设定及显示电路。
本设计的主要特点：
1、优化的软件算法：毫米级计算，减小截断误差；优化的画圆算法，使画圆更精确平滑。
2、人性化的LCD人机对话界面，对系统坐标参数进行设置，并实时显示悬挂物体当前坐标。
3、精细的画笔设计，减小系统运行的误差。
4、8向寻轨系统，使寻轨更精确、灵敏。
我们分以下几个部分进行方案设计和比较论证。
一、方案论证和比较
1控制器结构方案
方案一：采用FPGA为系统的控制器，FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，模块大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性，并且可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能控制。FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。通过输入模块将参数输入给FPGA，FPGA通过程序设计控制步进电机运动，但是由于本设计对数据处理的时间要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。
方案二：采用STC89C58作为系统控制的方案。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，各个领域应用广泛。并且，由于芯片引脚少，在硬件很容易实现。因此，在本设计中采用STC89C58处理输入的数据并控制电机运动。
综合上述两种方案，方案一虽然精度较高但难道较高，成本较大，方案二较为简单，可以满足设计要求，因此选择方案二。
2电机的选择方案
方案一：采用直流电机。直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在调速方便（可无级调速）、调速围宽、低速性能好（起动转矩大、起动电流小）、运行平稳、噪音低、效率高等方面，但是精度较低。
方案二：采用步进电机。步进电机具有控制简单、定位精确、无积累误差等优点。但它在运行时噪音大、高速扭矩小、启动频率低。
基于上述比较，只要为了方便地对运动精确无累计误差，这里我们采用步进电机。
3电机驱动及运动方案
方案一：采用继电器对电动机的开和关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。
这个方案的优点是电路较为简单，实现容易；缺点是继电器的响应速度慢、机械结构易损坏、寿命较短。
方案二：采用集成有达林顿管组成的H型的功率变换桥电路的恒压恒流桥式2A驱动芯片。用单片机输出PWM信号控制使之工作在占空比可调的开关状态，通过程序调节占空比精确调整电机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。
方案三：采用DSP芯片，配以电机控制所需要的外围功能电路，通过数控电压源调节电机运行速度，实现控制物体的运动轨迹。该方案优点是体积小、结构紧凑、使用便捷、可靠性提高。但系统软硬件复杂、成本高。
基于上述理论分析和实际情况，拟定选择方案二。
4寻轨模块方案
探测板上黑线的大致原理是：光线照射到板面并反射，由于黑线和白纸的反射系数不同，可根据接受到的反射光强弱判断是否偏离黑线。
检测板上黑线的基本原理是：光线照射到板上并反射，由于黑线和白纸的反系数不同，根据接收到的反射光强弱判断是否黑线。
方案一：可见光发光二极管与光敏二极管组成的发射-接收电路。这种方案的缺点在于其他环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰，一旦外界光亮条件改变，很可能造成误判和漏判，即使是采用超高亮发光二极管可以降低一定的干扰，但这将增加额外的功率损耗。方案二：脉冲调制的反射式红外发射-接收器。采用带有交流分量的调制信号，可以大幅的减少环境光源的直流分量的干扰，但由于该红外发射管的最大工作电流取决于平均电流，该最大电流需要通过调节占空比来调节；而且需要添加额外的电路和程序，本题中并不需要很大的电流，故不需要采用该管子。
方案三：不调制的反射式红外发射-接收器。由于采用红外管代替普通可见光管，可以有效的降低环境光源的干扰，尺寸小、质量轻、灵敏度高，对辅助装置的要求最少，对人眼无伤害，采用不调制的反射式红外发射-接收器完全可以有效的降低干扰，而且方便可行，能够准确的实施检测。
基于上述考虑，我们决定采用方案三。通过对比，这次设计中由于是近距离探测，故采用方案三来完成数据采集。由于红外光波长比可见光长，因此受可见光的影响较小。同时红外线系统还具有以下优点：尺寸小、质量轻，便于安装。反射式光电检测器就是其中的一种器件，它具有体积小、灵敏度高、线性好等特点，外围电路简单，安装起来方便，电源要求不高。用它作为近距离传感器是最理想的，电路设计简单、性能稳定可靠。
二、系统硬件设计
本系统的控制芯片采用的是STC89C58，其最小系统原理图如下：
1画笔设计
从题干的要求和示意图中可以看到，物体在运动时在板上画出运动轨迹。在编写程序时，需要考虑到画笔的位置，以使因配件产生的误差减小到最小。因此，如示意图所示，画笔位置在重物中心最为合适。重物质量要大于100克，而画笔在固定在重物中心，这就要求重物
要有一个环，以便将画笔固定在其中心。经过一系列的改进和调试，我们最终找到了这样的一个有环的物体，固定其中的画笔从最初设想的铅笔到水芯笔再到后来的水彩笔，重物也是一遍遍的进行改进。为了能够画出最佳效果，我们在重物下方再吊了一个物体，这样才能使画笔能够紧贴纸面，并且可以减少重物在运动时产生的晃动。经过反复的试验，我们终于得到了较为理想和较高精度的目标轨迹。
2显示键盘模块
1）显示
我们组的显示采用12864液晶显示器。LED显示模块提供一个人机对话界面，并实时显示坐标及物体的运动轨迹。
首先初次进入系统设置坐标位置以方便回到原点。接着进入选择界面，即“1 单点运动”，“2 预设轨迹运动”，“3 圆周运动”，“4 寻轨迹运动”。可以选择进步不同的界面已完成那个不同的功能。每个界面功能的实现都可以实时显示坐标以便我们检验控制物体的精度。
2）键盘
据设计需求，本系统中使用了标准的4×4键盘，此键盘用中断功能。其电路原理图如图所示。
键盘各个按键功能介绍如下：
1～9：为数字键；
确定：选择功能；
退出：返回选择界面；
向下：选择菜单；
后退：写错时用于后退；
重置：可以用来重置数字。
3电机控制电路
因为步进电机是靠单片子产生脉冲来控制转矩的，单片机本身驱动电流较小，驱动不了电机绕组，要用驱动电路产生较大电流，直接驱动会烧坏单片机。另外满足电机的功率要求，一些电机工作时时有功率要求的，为了方便满足电机的额定功率要求，加入驱动电路便于调节电路使其可以满足电机工作。本方案选择的驱动电路如图1所示：
图1 电机驱动电路
4红外管排列与比较器
1）红外管排列
在以画笔为中心，半径4.1cm的圆周上安装了8个反射式红外对管作为轨迹探测传感器，安装方式如图2所示。
图2 轨迹探测传感器安装方式
根据图2安装方式及安装半径，只要系统的采样频率足够高，轨迹是无法脱离探测围的。但由于使用了8个传感器，不同传感器信号间的组合太多，使用一般穷举办法难以实现循迹控制，因此自己设计了一套循迹算法。
2）检测电路
红外传感器带负载能力不够，不可与单片机直接连接，所以设计了一个简单的比较器电路。电路图如下：
图3 使用红外对管ST178和电压比较器LM324
使用的电压比较器LM393在不带负载的情况下比的LM324要好，用万用表测发现检测黑线输出的高电平接近电源Vcc，比LM324高了0.5v以上，检测白色输出的低电平又很低，比LM324低了0.3v以上，应该说是接近理想情况了。可惜的是承受负载的能力太弱，挂到单片机的IO口上效果不好。我们最早试用带下拉电阻的输入，发现输出高电平有4V多，接单片机后拉到了1.9V以下，所以单片机容易判断为低电平，把黑线当白板。相反LM324空载时没LM393理想，但承受负载的能力强，高电平挂到单片机上没降多少，还有3V以上。
最终我们选择了ST178和LM324的组合，并且为了防止电池耗电过多后高电平不够高，将SPCE061A的输入改为悬浮输入，不至于把输入电压拉的过低。
5供电电源
由于本系统采用12v步进电机，因此需要一个12v的供电电源，（实际为两个，由于我们买的电机功率不够，不能同时供两个电机，所以采用双电源供电）。供电电源电路采用简单的12v变压器加整流与滤波电路够成，其电路图如下所示
三、软件部分设计1程序流程设计
1）主流程图
2）单点运动流程图
3）预设轨迹运动流程图
4）圆周运动流程图
5）寻轨运动流程图
2程序算法设计
1）单点运动
图4 单点运动
如图4，初始点位置（x1，y1）和目标点（x2，y2），左边绳长由L1变为L2。则
如果L1大于L2，则r1=L1-L2，电机正转；如果L1小于L2，则r1=L2-L1，电机反转。
同理右边绳长L3变为L4。则
如果L3大于L4，则r1=L3-L4，电机正转；如果L3小于L4，则r1=L4-L3，电机反转。.
另外为了避免画笔路线变乱，特意用程序控制两个电机同时一步一步运动，一个电机走完后另一个电机开始运动，运动过程以5mm为单位长度。
2）画方形
画方形采用的是单点的算法，先使物体到达基本点，划横线即是使y值不变，x加（或减）五毫米，画竖线即是使x值不变，y值加（或减）五毫米，这样就可以完成方形的画法。五毫米精度很高。
3）画圆
画圆采用的是角度变化法，如图4圆心为（x0，y0），首先使画笔运动到正下方（x1，y1），算出夹角a和b，让半径r旋转（即a减一度，b加一度），根据余弦定理可以得出r1和R1，这样可以控制电机的转动，从而画出一个比较精确的圆，我们采用毫米级的计算，精度已经很高。
图4 画圆
4）寻轨
图5 方向调整示意图
如图5，定义了物体循迹时运动的8个方向，图中黑箭头（6号方向上）表示物体当前的循迹方向。循迹时，先给物体一个初始位置，使用变量temp来判断当前物体运动方向，物体每次运动时先按当前方向向前步进一段固定的距离，然后检测采样传感器信号并调整运动方向，再沿新的方向步进。由于所给的曲线是连续的，所以每次调整x，y坐标只能是＋5mm或－5mm。如图4所示，向7方向运动时x=x，y=y+5mm；向6方向运动时x=x+5mm，y=y+5mm；向5方向运动时x=x+5mm，y=y；向4方向运动时x=x+5mm，y=y-5mm；向3方向运动时x=x，y=y-5mm；向2方向运动时x=x-5mm，y=y-5mm；向1方向运动时x=x-5mm，y=y；向0方向运动时x=x-5mm，y=y+5mm。由于红外管排列安排每次刚好有一个红外管在黑线，这样就可以顺利的按着黑线运动。
实践证明，按照上面的办法循迹迅速稳定，并且不会受交叉线的影响。由于轨迹线有一定宽度，实际的轨迹不可能转折得十分迅速，当步进距离较小时，甚至可以完成锐角的循迹。本系统使用的步进距离是5毫米，效果很好。
3误差分析及改进措施
1）坐标转换的误差。为了处理方便，将悬挂滑轮视为一点，考虑其半径。同时，进行坐标变换时，单片机在计算精度上也会引进误差，由于使用浮点运算，该误差不大。
2）笔尖和悬挂点不在同一平面引入误差，应尽量使三点处于与地板平行的平面以减小误差。
3）步进电机的步进脉冲个数和步进线距离之间的折算误差。作品使用了直接测量一段距离和步进个数再求平均值的办法降低误差。
4）牵引线引入的误差，包括拉伸误差和由松弛产生的误差。改进措施是使用变形系数小的牵引线和增加悬挂物体的重量。
5）绕线产生的误差。拉线距离比较短，采用较大转轮，可以忽略。
6）读数误差。初始定位时需提供物体坐标，测量结果需人为读数，这会引入误差。
四、数据总结
五、结果分析与总结
本系统主要以单片机（STC89C58）为主要控制和计算芯片。采用了L293驱动芯片和步进电机控制。在设计过程中，力求硬件电路简单，充分发挥软件设计的优势，编程灵活方便
来满足系统的要求。在检测部分进行实时模拟显示和控制。采用细分控制方法以每次物体运动5mm为精度。通过指令和寻迹模块传感器传过来的信号对物体的运动进行控制。实际测试表明，系统运行稳定，速度较快，但却不可避免在存在些许误差，如单片机计算时的截断误差，滑轮的圆角误差，转轮的绕线误差等，这些误差的存在都是我们需要改进的地方，虽然在试验过程中遇到了种种困难，但总的来说，我们还是能齐心协力把问题解决，较好的完成了课题的各项要求。
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