板球控制系统的抗干扰电路设计与分

第23期2022年12月无线互联科技
Wireless Internet Technology
No.23December,2022
基金项目:国家自然科学基金项目;项目编号:51769012㊂甘肃省高等学校创新能力提升项目;项目编号:2020A -142㊂兰州工业学院青年科技创新项目;项目编号:2020KJ -19㊂
作者简介:王小会(1986 ),女,甘肃天水人,讲师,硕士;研究方向:复杂系统的建模㊁优化,智能算法㊂
板球控制系统的抗干扰电路设计与分析
王小会1,李保印2,薛延刚1
(1.兰州工业学院,甘肃㊀兰州㊀730050;2.中电万维信息技术有限责任公司,甘肃㊀兰州㊀730030)
摘㊀要:在板球控制系统中,干扰信号是影响控制系统稳定的重要因素㊂球体控制是否能够精确地完成相应的要求,取决于系统受到的外界干扰大小㊂因此,设计板球系统的抗干扰电路很有必要㊂该系统采用边沿检测二值电路防止传输图像出现模糊化,运用光耦隔离电路避免舵机运动过程可能出现的抖动现象,通过在交流电源输入端采用EMI 滤波电路抑制外部干扰中共模信号产生的干扰㊂实验表明,加入抗干扰电路后,板球系统控制小球进入目标位置并保持稳定的状态需要较短的时间,距离目标位置更近㊂该系统可以更快速㊁准确地控制小球的运动,控制性能得
到很大提升㊂
关键词:板球系统;抗干扰;控制性能
0㊀引言
㊀㊀为研究非线性控制系统,寻找合适的检验平台成为越来越多学者研究的课题,而板球控制系统以其非线性㊁多变量㊁强耦合的优势作为研究自动化控制的媒介[1]㊂球体作为一种多变量非线性控制对象,研究其定点控制和轨迹运动对自动化控制有着重要意义㊂近年来,一些学者也做了许多关于板球系统的研究:Zhou 等[2]采用OpenMV 机器视觉模块,以其自带的STM32F765芯片为核心,集成的OV7725摄像机实时检测并计算球在板上的位置,通过串级PID 控制器计算数据,输出PWM 波控制舵机旋转角度,设计了一种基于OpenMV 的板球系统;Zheng 等[3]通过研究板球系统的控制问题,运用顺序细化算法的分段路径规划跟踪技术,提出了一种基于BPS 的鲁棒快速视觉跟踪解决方案,设计了一种板球控制系统;Cao 等[4]采用四线电阻屏获取球的位置,使用HC05蓝牙模块与手机通信,通过点击手机屏幕随时改变小球的定点,同时通过板球系统按钮或手机APP 控制指定的轨迹运动,设计了一种基于PID 算法的板球控制系统;Jian 等[5]采用
Mega 2560作为主控制器㊁运用OpenMv 图像处理模块㊁舵机执行模块㊁显示模块和机械结构试验台完成硬件设计,采用PID 控制算法,设计了一种基于图像识别的滚球控制系统;徐涢基等[6]采用STM32控制器作为主控芯片,以0V7670摄像头实时采集小球的位置信息,通过对小球速度采用比例-积分-微分算法,对小球位置采用比例-微分算法,设计了一种串级PID 算法,共
同对小球进行控制㊂这些文献都研究了板球系统,但对系统硬件电路所产生的干扰信号没有考虑㊂干扰信号是影响板球控制系统稳定性的重要因素㊂球体控制是否能够精确地完成相应的要求,取决于系统受到外界干扰大小,所以设计板球系统的抗干扰电路很有必要㊂
1㊀干扰源分析
㊀㊀在传播的过程中,信息有时会被阻断或在传递过程中发生改变㊂这些因素使人们接收不到完整有用的
信息㊂信号是表示信息的物理量,对有用信号的接收造成损伤就是干扰㊂干扰源㊁传播路径和敏感器件是导致干扰的3个基本要素㊂干扰会使器件本身的灵敏度降低,重点是会对有用信号产生影响,进而使实验数据出现很大的误差㊂2㊀抗干扰措施
2.1㊀单片机系统抗干扰
㊀㊀单片机内部元器件在工作中会造成干扰,并通过电源线㊁信号线㊁地址线㊁分布电感和分布电容进行传输,可通过接地㊁屏蔽㊁隔离㊁滤波㊁抑制反电势等方式减少干扰㊂
(1)接地:对于高频电路,采用多点串联方式;对于低频电路,则采用单点并联方式㊂
(2)屏蔽:使用铜㊁铝㊁钢等金属材料制成的屏蔽体来屏蔽单片机周围的电磁场和辐射场㊂
(3)隔离:一种是通过电源线和信号线分开走线,
远离高频导线,适用于小信号㊁低电平的物理隔离方
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式㊂另一种是对收发信号的设备采用光电隔离,让设备输入端与输出端的电流构不成流通的回路㊂(4)滤波:在带有负载的电路中,有时负载变化会
产生噪声电压,噪声电压可以用电容㊁电感等储能元件来抑制㊂
(5)抑制反电势:电流通过含电感量的元件或设备时会产生反电动势,可通过并联二极管和稳压管或并联电阻和电容等方式抑制反电动势㊂
2.2㊀图像采集电路抗干扰
㊀㊀图像采集电路是监测小球在平板上的运动状态和位置,是整个系统最为重要的一环㊂OV7725摄像头在
图像二值化处理时,它的边沿检测关系采集到的图像是否完整㊂当图像信号发生跳变,电压比较器的输入端会形成幅度差㊂在幅度差超过某一阈值时,电压比较器输出端会发生电平跳转,从而输出方波形式的图像信号㊂
2.3㊀驱动电路抗干扰㊀㊀驱动电路通过上位机PWM 信号对电机进行控制㊂如将PWM 信号由信号线直接输入,舵机在运动过程中可能会出现抖动现象,降低舵机转动的精度,可以在信号发送端和接收端加上光耦隔离电路以消除抖动干扰㊂光耦隔离电路原理如图1所示
㊂
图1㊀光耦隔离电路原理
2.4㊀电源电路抗干扰
㊀㊀板球系统采用的电源是开关电源,在使用时会产生电磁噪声干扰㊂在电网线路的外部干扰中,共模信
号具有高频㊁高幅特点㊂它会通过导线产生电磁辐射,对电源造成的较大干扰㊂抑制这种干扰需要在交流电源输入端采用EMI 滤波器,其电路原理如图2所示
㊂
图2㊀EMI 滤波电路
3㊀实验结果
㊀㊀对板球控制系统进行未加抗干扰电路和加抗干扰电路控制实验㊂将小球放置在60cm ˑ60cm 的平板
上,以平板的长度作为横坐标,宽度作为纵坐标㊂小球
由初始位置(10cm,50cm)进入目标位置(30cm,30cm),并在目标位置处停留,保持稳定,实验测试结
果如表1所示㊂
表1㊀板球系统控制实验数据未加抗干扰板球系统
加抗干扰板球系统目标位置(30cm,30cm)
(30cm,30cm)
初始位置(10cm,50cm)
(10cm,50cm)
稳定点坐标(32.15cm,31.62cm)
(31.54cm,30.97cm)
到达时间
6.4s
4.3s
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㊀㊀根据表1的结果及板球系统实物控制实验,未加抗干扰电路的板球系统,小球运动时振动幅度较大,而且到达目标位置并保持稳定的状态需要较长的时间㊂而加入抗干扰电路的板球系统控制小球进入目标位置并保持稳定的状态需要较短的时间,比未加抗干扰电路的板球系统少了2.1s,距离目标位置更近,优于未加抗干扰电路的板球系统的性能㊂
4㊀结语
㊀㊀加入抗干扰电路之后,板球系统的快速性㊁准确性㊁稳定性等性能均优于未加抗干扰电路的系统,所以板球控制系统加入抗干扰电路后,控制性能得到很大提升㊂
[参考文献]
[1]黄文杰.基于RBF的板球系统控制与参数优化研究[D].昆明:昆明理工大学,2021.
[2]ZHOU L J,XU E Y,CHEN D H,et al.Design of rolling ball control system based on OpenMV:Journal of Physics:Con-ference Series[C]. Bristol:IOP Publishing,2019.
[3]ZHENG L,HU R J.Robust and fast visual tracking for a ball and plate control system:design,implementation and experimental verification[J].Multimedia Tools and App-lications,2019(10):13279-13295.
[4]CAO H Y,REN B,YANG R H.Design of Rolling Ball Control System Based on PID Algorithm:Journal of Physics:Confer-ence Series
[C].Bristol:IOP Publishing,2020.
[5]JIAN Y M,QIN C W.Design of Rolling Ball Control System Based on Image Recognition:Journal of Physics:Conference Series[C]. Bristol:IOP Publishing,2021.
[6]徐涢基,肖城钢,李婷,等.串级PID算法在滚球控制系统中的应用[J].现代电子技术,2020(9):122-125.
(编辑㊀王永超) Design and analysis of anti-interference circuit for cricket control system
Wang Xiaohui1,Li Baoyin2,Xue Yangang1
(nzhou Institute of Technology,Lanzhou730050,China;
2.China Telecom Wanwei Information Technology Company with Limited Liability,Lanzhou730030,China) Abstract:In the cricket control system,the interference signal is an important factor affecting the stability of the control system.Whether the ball control can accurately complete the corresponding requirements depends on the system that should be subject to as little external interference as possible.Therefore,it is necessary to design the anti-interference circuit of the cricket system.The edge detection binary circuit is used to prevent the blurring of the transmitted image, the optocoupler isolation circuit is used to avoid the jitter phenomenon that may occur during the movement of the steering gear,and the EMI filter circuit is used at the AC power input to suppress the interference caused by the common mode signal from external interference.The experiment shows that after adding the anti-interference circuit,it takes a short time for the cricket system to control the ball to enter the target position and maintain a stable state,and it is closer to the target position.The system can control the movement of the ball more quickly and accurately,and the control performance is greatly improved.
Key words:cricket system;anti-interference;control performance
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