滚球平衡控制系统方案的设计

卢智勇周凌云冀春喜王国良张鑫

摘要：该滚球控制系统以STM32F103C8T6单片机为控制核心，通过OV7670摄像头对小球的位置和速度进行采集，通过MPU6050六轴姿态传感器对平板的角度进行测量，采用42步进丝杆电机作为执行机构。电机与平板通过弹性绳铰接，带动平板运动。系统整体由12V/10A开关电源供电，通过线性稳压芯片获得+5V、+3.3V两路辅助电源输出。人机交互由液晶显示屏和按键组成，对系统关键参数和题目要求进行显示。两环PID联级后在X方向和Y方向耦合，很好得实现了各项，另外小球还可以跟踪触摸屏所触摸的对应位置。

关键词：STM32单片机；MPU6050；步进电机；非线性串级PID算法

1.系统方案

本系统主要由STM32主控单元、OV7670图像采集单元、人机交互单元、MPU6050姿态传感器、丝杆电机执行机构、辅助电源模块六个部分组成。下面分别论证这几个模块的方案选型。

1.1主控制器件的论证与选择

方案一：采用传统的51系列单片机。

51单片机年代久远，资源有限，运算速度慢，难以完成题目要求。

方案二：采用32位嵌入式芯片

STM32F103系列嵌入式芯片是Cortex-M3内核的32位ARM微控制器，外设丰富，应用广泛。STM32F103微控制器可较好的承担起各种运算，完成相应功能。

综合考虑采用方案二。

1.2机械结构的论证与选择

方案一：采用直流电机加悬挂系统

板球系统可采用悬挂机械结构搭建。但其存在平板自旋、软绳只能提供拉力等缺点。

方案二：采用步进电机加底推系统

采用丝杆步进电机来作为驱动单元，底推系统将平板和电机连为一体，属于刚性连接，运动性能好，不易晃动。步进电机精度高，控制简单，适合于精确控制场合。

综合考虑采用方案二。

1.3系统传感器的论证与选择

1.3.1小球位置获取传感器的选取

方案一：采用电阻触摸屏

电阻触摸屏对于平板尺寸为650mm*650mm，实际中很难找到尺寸相当的触摸屏，多个屏幕拼接又会产生控制死区。

方案二：采用CMOS摄像头

摄像头是一种光学器件，通过采集平板和小球的运动图像，可实时获取小球的位置信息，虽然较电阻触摸屏使用复杂，软件开销大，但不受系统尺寸限制，使用方便。

综合考虑采用方案二。

1.3.2平板角度获取传感器的选取

方案一：采用塑壳式电位器

塑壳式定位器可将角度量转换为模拟电压量输出，但安装两个定位器无法使平板灵活转动。

方案二：采用六轴姿态传感器

MPU6050内置加速度计与陀螺仪，通过一定的数学解算便可获得稳定的三轴角度，体积小，重量轻，使用方便。

综合考虑采用方案二。

2.系统理论分析与计算

本方案设计自动控制系统，系统能够控制平板的姿态使小球在平板上按照指定方式和指定轨迹运动。方案需要控制小球在不同位置的速度，使在指定位置保持速度为零。系统只能通过改变平板的倾角来改变小球重力加速度在平板方向的分量，所以需要控制小球加速度来控制速度，这样便可以间接的控制小球的位置。

在本设计的物理模型中，忽略了小球的尺寸、弹性、相对滑动摩擦力、空气对小球的阻力等次要因素，保留了小球的滚动速度、小球位置、平板倾角等关键物理量，大大简化了系统的物理模型，方便控制系统的设计。

为了简化小球在平面的滚动，将对小球的控制在直角坐标系中分解为X方向和Y方向，在两个方向上分别进行控制，简单的耦合后即可达到控制要求。

小球所受重力在平板方向的分量为：

F=mgsinθ2-1

由于平板的调整角度大约是±5°，角度与小球的重力分量可近似看做线性关系。当小球目标位置确定后，小球的目标速度正比于小球位置与目标位置的差值，而平板倾角正比于小球目标速度与实际速度的差值，公式如下：

小球目标速度=PositionKp×（小球目标位置-小球实际位置）2-2

平板目标角度=SpeedKp×（小球目标速度-小球实际速度）2-3

式中的比例系数PositionKp和SpeedKp由实验测得，分别为0.1和0.5。

3.电路与程序设计

3.1电路的设计

3.1.1主控芯片电路原理

主控芯片电路原理：控制核心采用STM32F103C8T6，内部集成2K的RAM，60K的FLASH，主频72MHz。采用外置8MHz石英晶振，内部倍频到72MHz。

3.1.2OV7670图像采集原理

OV7670图像采集原理图：为了减小主控芯片的压力，额外一片STM32F103C8T6作为协处理器，专门负责摄像头数据处理，以此配合主控芯片工作。

3.1.3MPU6050陀螺仪电路原理

MPU6050是6轴运动处理组件，内置一个加速度计和一个陀螺仪，并且自带数字运动处理引擎（DMP），可减少复杂的融合数据演算。

3.2程序的设计

系统程序基本框架和自动控制程序框架采用有限状态机的形式编写。对不同的执行阶段设置相应条件，编写不同的代码，使系统高效有序得处理传感器的信息和控制执行机构来达到要求。

4.测试方案与测试结果

4.1测试方案

4.1.1硬件测试

硬件测试包括对机械结构的稳定性测试、电路焊接的正确性测试、系统整体的协调性测试。

4.1.2软件仿真测试

软件仿真包括对程序中各个关键参数的观察、PID参数的整定、器件操作的时序观察、各中断服务程序执行的情况等。

4.1.3硬件软件联调

软硬件联调采取循序渐进、逐一排查的方法，对软件进行封装并留出程序接口，其它子程序可直接调用。

4.2测试结轮

根据测试结果，可以得出以下结论：

1.硬件设计合理，能很好的作为软件程序实现的平台；

2.系统物理模型正确，受力分析合理；

3.软件算法思路正确，运动控制过程精确；

4.系统整体协调好。

5.总结

基于滚球平衡控制系统的研究成果与人民生活息息相关。滚球系统作为典型的多变量、非线性控制对象对于现代控制方法的研究具有十分重要的意义。本文设计了一种PID型控制器用以控制板球系统。

参考文献：

[1].HUMUSOFTLtd.Use′smanualforCE151-Ball&PlateAp-paratus.1993

[2].薛定宇.反馈控制系统设计与分析——matlab语言应用.2000