F题绘图小车.doc

绘图小车(F题) 摘要: 该系统以TI公司的高性能控制器LM3S9B96为控制单元。通过NRF24LO1无线通讯模块实现绘图小车与上位机的无线通信，用两个加装码盘的直流减速电机构成一个速度、位移、转向角闭环控制的系统，以实现三种图形的精确、快速绘制。系统由加装无线通讯的小车和上位机两部分构成，绘图小车主要完成定速移动、定角转向等任务，并且它接收上位机的指令，上位机则通过无线通讯模块检测小车的运动信息，发送控制指令给小车以完成各种不同大小、不同图形的绘制等工作。经过测试，本系统各项性能都达到了要求，工作稳定。 关键字：LM3S9B96 24L01 伺服电机 系统方案设计 1.1系统方案比较与选择 1.1.1系统设计分析： 根据题目要求，要采用电机的闭环控制，这就要求我们必须能够对电机的转速、位移能够测量控制，其次，题目要求要通过上位机对小车进行控制，则小车必须设计无限通讯装置。 1.1.2车模的选择： 方案一 ：系统采用坦克模型。坦克模型主要优点就是运行稳定，转向灵活，但是测速需要另外增加编码器，实现精确的位移控制较难。 方案二 ：系统采用两个正交编码器的电机自己搭建小车，此种方案电机的安装灵活，小车的设计自由度大，对控制算法的要求较高，转向控制也较方案一困难。 方案一中采用坦克模型，精确的转角控制如果不加速度闭环控制则，转角的大小将会睡着电池电量的变化会产生很大的误差，而方案二采用自带正交编码器则速度闭环控制简单，实现精确的位移、转角控制都较容易，且受电池电量的影响较小，所以，选择方案二作为车模的方案。 1.1.3主控芯片的选择： 方案一：选则TI公司择的MSP430系列的单片机，MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集结构，具有丰富的寻址方式，超低功耗，片内资源丰富，但是常用的F1611、F149等单片机内部并无正交编码器解码模块，如果自己搭建正交编码器解码模块则会增加设计调试的的复杂性。 方案二：选则STM32系列单片机，STM32基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3的高性能内核而构建的32位单片机，内部资源丰富，内部的模块丰富，主要有定时器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART，其中定时器可以配置成正交解码模式，方便了软件的设计。 根据系统设计分析必须选择带有编码器的电机或者选择普通电机外加编码盘的方式。并且相应的主控MCU必须能够进行对正交编码器信号进行解码，所以单片机选择带有正交解码器模块的STM32103系列的单片机STM32103RBT6。 1.2系统总体方案 系统分为发射端和接收端两部分。发射端采用USB接口的蓝牙安装在电脑上，在小车的电路板上安装HC-06蓝牙串口模块，上位机通过蓝牙串口与小车的主控进行通讯。小车通过串口中断来处理上位机的指令，系统的整体方框图如下图所示： 图1-2系统总体方框图 理论分析与计算 小车控制算法建模 要完成三种图形的精确绘制必须能够对小车的速度、转角进行闭环控制。小车的速度控制主要采用PI控制算法，PI控制算法即比例-积分控制 速度闭环控制方框图 转角控制是建立在速度控制的基础之上，若左轮的角速度是ωL, 右轮的角速度是ωR,小车的两轮间距是d, 小车的速度、位移控制 小车的转向控制 图形的绘制 无线原理分析 2.1激光枪自动控制原理分析、计算 激光枪被固定在一个二自由度的电机支架上，两个电机的转动分别带动激光枪水平和垂直移动。因此，电机的旋转对应激光束的转过角度，同时也对应光斑在靶上的位移，所以，需要对两者和电机的角位移关系计算出来。 按照我们的方案，激光头到靶水平，靶心到地面，激光云台距地面。设靶上以靶心为坐标原点的直角坐标系，靶上任意一点光斑坐标就是（x，y），其中，x和y的绝对值都小于等于30。则有如下几个公式：示意如图： 图2-1激光云台与靶位置示意图 对y轴上的坐标： ,（2-1） （2-2） 对x轴上的坐标： （2-3） （2-4） 由此，可以得到靶上移动距离和电机转动角度的关系。若靶心到激光枪距离，则其中，当激光枪在靶心正前方时，。经测算， 度， 度，对电机来说,转动一周码盘输出约100000个脉冲，若M为脉冲个数则有： （2-5） 所以，通过角度闭环可控制脉冲数所对应的转动角度，即可带动激光枪在靶上移动设定位移。但在实际调试中，发现y轴移动的位移和设定坐标相比是线性增大的，我们测试了一组数据，得到比例系数0.91，软件补偿给设定坐标上，结果打靶是比较精确的。