基于杂栽酝猿圆的磁导航粤郧灾控制系统设计
阅藻泽蚤早灶燥枣粤郧灾悦燥灶贼则燥造杂赠泽贼藻皂月葬泽藻凿燥灶杂栽酝猿圆枣燥则酝葬早灶藻贼蚤糟晕葬增蚤早葬贼蚤燥灶
于振中
陈伟伟渊江南大学物联网工程学院袁江苏无锡圆员源员圆圆冤
摘要院以杂栽酝猿圆为系统控制器核心袁采用模块化设计思想袁设计了一款粤郧灾控制系统袁实现各个模块之间的通讯与控制遥该控制器通过控制板结合软件程序的编写袁实现与上位机的无线通讯尧触摸屏上状态信息的显示和基本参数的设定尧外围数据的采集以及控制等功能袁达到了粤郧灾的自主行走与远程控制遥在实际行走测试中袁粤郧灾的路径偏差和实时跟踪能力都已达到很好的效果袁具有一定的实用价值遥
关键词院杂栽酝猿圆袁粤郧灾袁控制系统
粤遭泽贼则葬糟贼押栽葬噪蚤灶早杂栽酝猿圆葬泽贼澡藻糟燥则藻燥枣贼澡藻泽赠泽贼藻皂糟燥灶贼则燥造造藻则葬灶凿葬凿燥责贼蚤灶早贼澡藻皂燥凿怎造葬则凿藻泽蚤早灶蚤凿藻葬熏葬灶粤郧灾糟燥灶贼则燥造泽赠泽贼藻皂蚤泽凿藻泽蚤早灶藻凿贼燥则藻葬造蚤扎藻贼澡藻糟燥皂皂怎灶蚤糟葬贼蚤燥灶葬灶凿糟燥灶贼则燥造葬皂燥灶早贼澡藻皂燥凿怎造藻泽援栽澡藻糟燥灶贼则燥造造藻则糟燥皂遭蚤灶藻泽糟燥灶贼则燥造责葬灶藻造憎蚤贼澡贼澡藻泽燥枣贼鄄憎葬则藻责则燥早则葬皂葬灶凿贼澡藻灶贼澡藻澡燥泽贼糟燥皂责怎贼藻则葬灶凿憎蚤则藻造藻泽泽糟燥皂皂怎灶蚤糟葬贼蚤燥灶熏贼燥怎糟澡泽糟则藻藻灶凿蚤泽责造葬赠泽贼葬贼怎泽蚤灶枣燥则皂葬贼蚤燥灶葬灶凿贼澡藻遭葬泽蚤糟责葬则葬皂藻贼藻则泽泽藻贼熏藻曾贼藻则灶葬造凿葬贼葬葬糟择怎蚤泽蚤贼蚤燥灶葬灶凿糟燥灶贼则燥造糟燥怎造凿遭藻则藻葬造蚤扎藻凿援粤泽葬则藻泽怎造贼熏蚤贼糟葬灶憎葬造噪葬怎贼燥皂葬贼蚤糟葬造造赠葬灶凿遭藻糟燥灶贼则燥造造葬遭造藻则藻皂燥贼藻造赠援陨灶贼澡藻葬糟贼怎葬造憎葬造噪贼藻泽贼熏贼澡藻责葬贼澡凿藻增蚤葬贼蚤燥灶葬灶凿则藻葬造原贼蚤皂藻贼则葬糟噪蚤灶早葬遭蚤造蚤贼赠燥枣粤郧灾澡葬增藻葬糟澡蚤藻增藻凿早燥燥凿则藻泽怎造贼泽援
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自动引导小车渊粤怎贼燥郧怎蚤凿藻灾藻澡蚤糟造藻袁粤郧灾冤是指装备有光学或电磁等自动引导装置袁能够沿着指定的路径行走袁具有安全保护及各种移载功能的运输车遥它的工作方式为院粤郧灾在上位机的控制下袁按照已经规划好的路径和设定好的工作要求袁使小车能够精确地行走在规定的路线上袁并到指定的地点完成移栽尧搬运等特定的工作遥
员粤郧灾控制系统总体设计方案
本文所用的粤郧灾的导航方式为磁导航袁粤郧灾的控制系统主要是由驱动模块尧控制模块尧人机交互模块尧网络通信模块尧导航模块与安全模块这几部分组成遥此控制模块所用的核心控制芯片为杂栽酝猿圆云员园猿袁基于此芯片并根据工业上的一些要求袁自主设计了一块电路板袁此电路板主要与驱动模块尧人机交互模块尧网络通讯模块尧导航模块尧安全模块等实现通信遥其工作过程是上位机通过网络通信模块向粤郧灾发布任务袁粤郧灾接收任务后袁再把接收的任务交给处理器处理袁处理器再向各个模块发送指令来执行上位机所发布的任务遥
粤郧灾控制系统结构如图员所示袁杂栽酝猿圆云员园猿芯片主要负责与上位机进行网络通信袁与触摸屏进行信息交互袁接收导航传感器以及安全报警的信息袁发布指令控制电机以及小车车灯等一些受控元件遥圆硬件设计
粤郧灾控制系统硬件设计主要包括控制模块尧人机交互模块尧无线通信模块尧驱动模块尧导航模块以及安全模块等遥圆援员控制模块
图员粤郧灾控制系统结构框图
粤郧灾控制模块结构如
图圆所示袁是以杂栽酝猿圆云员园猿为核心的外围电路院外部给电路板供圆源灾电使其正常工作袁下载程序就是从电脑写入程序给杂栽酝猿圆袁使粤郧灾小车可控曰控制按钮就是控制粤郧灾的启停袁复
位等简单功能曰电机微动就是控制驱动轮的上升与下降袁当粤郧灾需要移动位置时袁需要将驱动轮上升袁使其离开地面袁才能使粤郧灾能被轻松的推动曰本文语音报警只用到愿种袁故只用了猿路通道曰红外避障传感器可通过调节输入渊图中红色的四路开关冤来切换检测区域曰砸杂圆猿圆接口有四组袁主要连接砸云陨阅尧无线数传模块尧触摸屏及音乐报警器遥
图圆控制模块结构框图
圆援圆人机交互模块
本文粤郧灾的人机交互模块所用的触摸屏是威纶的栽运远园缘园蚤孕袁采用耘月愿园园园灾源远缘组态软件来设计人机交互的界面遥杂栽酝猿圆云员园猿控制器通过酝粤载猿圆猿圆芯片将栽栽蕴电平转化成砸杂圆猿圆电平袁再与触摸屏砸杂圆猿圆接口连接袁控制器与触摸屏完成通讯袁实现了人机交互遥
触摸屏与杂栽酝猿圆控制器之间通讯采用的是工业通用的酝韵阅月哉杂协议袁使用砸栽哉模式遥粤郧灾控制系统用到的状态信息和参数设置如图猿所示遥圆援猿无线通讯模块
粤郧灾无线通讯模块就是负责粤郧灾与上位机进行信息交互袁粤郧灾与上位机通过无线通讯模块实现无线通讯袁上位机依靠无线通讯模块给粤郧灾发布任务指令袁上位机也可以接收
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图猿人际交互界面
粤郧灾运行状态信息遥粤郧灾依靠无线通讯模块向上位机报告各指令的执行情况以及粤郧灾的位置信息与运行状态等遥
如图源所示袁杂栽酝猿圆云员园猿控制板通过酝粤载猿圆猿圆芯片将栽栽蕴电平转化成砸杂圆猿圆电平袁再与允在载愿苑苑小功率无线数传模块砸杂圆猿圆接口通讯遥而上位机渊孕悦机冤自带砸杂圆猿圆接口袁只需直接与模块接口连接即可遥
图源无线通讯模块通讯结构框图
圆援源驱动模块
驱动模块主要有电机驱动器尧直流无刷电机以及车轮遥如图缘所示袁粤郧灾驱动命令由上位机发布给控制器袁经控制器处理分析所得并发送给电机驱动器袁驱动器输出相应的孕宰酝控制信号袁控制直流无刷电机运行袁并通过霍尔传感器反馈信息来对速度进行调节袁最终实现电机的准确控制袁粤郧灾的精确行走遥
图缘驱动模块控制结构图
圆援缘导航模块
现如今袁粤郧灾的导航方式有很多种袁比如院激光导航尧视觉导航尧磁导航尧光学导航等遥本文所涉及的粤郧灾导航方式为磁导航袁在粤郧灾下面安装磁导航传感器袁与地面上铺设的永磁条袁形成了粤郧灾磁导航遥
磁引导传感器是小车循迹引导单元的关键部件袁一般安装在粤郧灾车体前方的底部遥它能检测出微弱的磁场强度袁并根据磁引导传感器检测点响应的位置反映出磁性物体相对于磁引导传感器的位置袁粤郧灾自动做出调整袁确保沿磁条前行遥通常情况下袁其检测点数目越多尧间隔距离和响应时间越短袁其检测精度就越高遥同时袁检测精度和响应时间也直接关系到小车沿磁带运行的稳定性和准确性遥
孕晕陨员圆怨圆苑芯片外接猿个磁阻传感器袁中间还连有偏置电阻袁减小了各个传感器的灵敏度和测量信号的放大电路特性不完全相同引起的测量误差遥磁阻传感器为孕晕陨员猿员园源袁作为一个蕴砸弛豫振荡电路的电感元件袁电感值与传感器轴平行方向的有效磁场成比例遥
磁阻效应可以把磁场的变化转变成对应变化的电流袁但是所得到的电流很微弱袁无法进行粤辕阅转换袁故需要经过信号放大电路将其进行放大袁然后通过粤辕阅转换就可以得到对应的数字量遥孕晕陨员圆怨圆苑芯片集成了放大和数模转换电路袁且能够同时对猿个磁场强度进行测量遥其还包含了一个杂孕陨接口电路袁可以
基于杂栽酝猿圆的磁导航粤郧灾控制系统设计
与微处理器进行通讯遥圆援远安全模块
粤郧灾应具有比较完善的安全保护系统袁主要包括院非接触式红外障碍检测传感器尧接触式防碰撞保险杠尧故障报警尧急停按钮等遥本文中所用的非接触式红外障碍检测传感器是的圆维障碍检测传感器袁其可以通过改变输入来切换检测区域遥本文所用的报警器是音乐报警器袁其最多可控制圆缘缘路语音播报袁通过砸杂圆猿圆与控制板通讯袁通过设置可使粤郧灾发生不同的故障时袁播报不同的语音袁更加智能化遥
当粤郧灾发生故障时袁通过控制器集中处理判断袁再根据故障信息袁发出相应的报警袁来提醒周围的工作人员袁同时通过无线通讯系统向上位机通报遥安全保护系统可以在各种情况下保证粤郧灾系统尧粤郧灾周边操作人员及设备的安全遥猿软件设计
粤郧灾要实时对传感器所采集的数据进行处理袁实现粤郧灾对路线的跟踪和对障碍的判断袁以及能够自主运行袁这都需要控制系统硬件与软件的相互支持遥控制软件对粤郧灾控制系统非常重要袁功能强大的软件获得强大的计算能力袁它不仅影响粤郧灾的性能袁同时决定了粤郧灾实时的计算能力袁控制算法的简单和有效袁能够提高粤郧灾的实时性和准确性遥猿援员控制系统软件流程设计
本文设计的磁导航粤郧灾控制系统软件流程如图远所示遥
图远磁导航粤郧灾控制系统软件流程图
粤郧灾上电之后执行系统初始化袁主要对陨韵口的初始化和外接设备的初始化等遥系统初始化之后袁首先就是接收上位机发布的命令袁控制器处理这些命令并给各个模块发布指令袁各个模块按照指令运行遥各个模块也将自身的状态反馈给控制器袁控制器将这些状态发送给上位机袁这样上位机就实现了实时监控粤郧灾的状态遥
当粤郧灾按照上位机发布的命令运行时袁电机在运行的同时袁检测是否存在报警信号院避障传感器的停止信号和其他急停信号袁只要其中一个信号有效时袁粤郧灾电机停止袁一直等到该信号消失袁并且没有其他急停信号袁粤郧灾才能继续行驶曰若无法继
叶工业控制计算机曳圆园员愿年第猿员卷第猿期续行驶袁则发送中断信号给上位机曰当粤郧灾完成上位机发布的任务时袁也发送中断信号给上位机遥猿援圆孕陨阅控制
孕陨阅是现今的工程实际应用最为广泛的控制方式袁该控制器的原理简单袁使用方便袁适应性强袁鲁棒性好袁对模型依赖少遥
赠越运责咱藻渊贼冤垣员
栽陨
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式中袁运孕是比例系数袁栽陨是积分时间常数袁栽阅是微分时间常数遥孕陨阅控制系统原理图如图苑所示袁则渊贼冤是给定值袁赠渊贼冤是实际输出值袁两者之间构成控制偏差藻渊贼冤袁将藻渊贼冤作为孕陨阅控制器的输入袁怎渊贼冤作为孕陨阅控制器的输出袁也是被控对象的输入遥
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贼园
阅
凿藻渊贼冤暂凿贼图愿小车实验图
过程中袁小车无负载的沿着磁带行走圆园圈袁得到了非常稳定的图形袁将封闭环形路线以缘糟皂为单位分成若干份袁测量出白线与磁带之间的距离袁从而就可看出小车的路径跟踪能力遥
图苑孕陨阅控制原理图
由于电机控制为采样控制袁只能依靠采样许可的偏差来对控制量进行计算袁而不能够像模拟控制那样通过对控制量的连续输出来实现连续控制遥因此袁采用数字孕陨阅控制袁而在数字孕陨阅控制中袁采用的是增量式孕陨阅院
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噪躁越园
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图怨粤郧灾运动位置图
式中袁噪为采样序号袁运陨越运责栽辕栽陨积分系数袁运阅越运责栽阅辕栽微分系数遥
增量式孕陨阅则为院
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越运责藻噪垣运陨移藻躁垣运阅渊藻噪原藻噪原员冤
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渊藻噪原藻噪原员冤暂
如图怨所示袁第圆段与第缘段是环形路线两侧直道袁第猿段与第源段是一侧圆弧弯道袁第员段与第远段是另一侧圆弧弯道遥从图中可以看出袁最大位置与最小位置只相差源糟皂袁考虑到小车的速度是园援缘皂辕泽袁并且是无负载的情况下运行袁源糟皂的偏差已经相当小遥每当小车发生偏移时袁小车都能够快速的进行修正袁从第圆段与第缘段前段图形中看到袁大约在十个采样点之后袁小车就已经完成偏差的修正工作袁而这段时间大约只有员泽遥说明本文建立的控制系统对粤郧灾的运行起到良好的控制效果遥
参考文献
即院
咱员暂卢超月袁夏继强袁叶呈洋援杂栽酝猿圆的磁导航自主导引车通用驱动器设咱圆暂彭刚袁邹圣斌袁朱磊明援基于杂栽酝猿圆单片机的粤郧灾控制系统设计咱猿暂王琳华援磁导式粤郧灾自动导航车控制系统的设计咱阅暂援长沙院长沙理咱源暂周驰东援磁导航自动导向小车渊粤郧灾冤关键技术与应用研究咱阅暂援南京院咱缘暂石含飞熏何勇灵援杂栽酝猿圆云员园猿在耘栽远单片机的叉车式粤郧灾的寻迹算法咱远暂刘亚袁罗志会袁徐校明袁等援基于蕴葬遭灾陨耘宰的三轴微弱磁场检测系统
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咱允暂援单片机与嵌入式系统应用袁圆园员远袁员远渊员冤院猿猿原猿远南京航空航天大学袁圆园员圆工大学袁圆园员猿
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源实验与分析
本文的测试环境是用磁带铺设的封闭环形的路线袁在这样的环境下对粤郧灾的路径跟踪能力进行测试遥为了统计粤郧灾在运行过程中的位置偏差袁将签字笔固定在与磁导航传感器的同一水平线上的小车车体边缘处遥当粤郧灾在运行过程中袁签字笔就会在地上画出了粤郧灾的运行轨迹袁由此作对比就可得出粤郧灾的跟踪能力遥
小车的实现环境如图愿所示袁封闭环形路线的两侧直道长圆援愿皂袁两端圆弧半径为员援园皂袁小车运行速度为园援缘皂辕泽袁在测试
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参考文献
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圆园员缘
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咱缘暂童诗白袁华成英援模拟电子技术基础咱酝暂援北京院高等教育出版社袁咱远暂阎石援数字电子技术基础咱酝暂援北京院高等教育出版社袁圆园员远
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