斜面两点悬挂物体运动控制研究

・计算机及通信研究・斜面两点悬挂物体运动控制研究欧方平　曹润强(攀枝花学院四川攀枝花　617000)摘　要　如何控制两点悬挂斜面上的物体进行二维运动,其实质是以两个相关的极坐转换成平面坐标的运动控制系统。

本文通过一个单片机控制两个减速同步电机正反转和一个斜板组成的实验模型,对悬挂物体实现定点定位和规定运动的方案论证、算法分析、控制实现等方面进行了论证和实现。

关键词　单片机控制;运动控制;坐标转换作者简介　 1　问题的提出一个与水平面夹角为100度的白色斜面板(100c m ×150c m ),左右上角固定两个滑轮(直径=0.5c m ),悬挂物体的线通过两个滑轮连接到固定在板上的两只电机法兰上,运动范围为80c m ×100c m 。

物体的质量约大于100克,物体上固定有浅色画笔,以便运动时能在板上画出运动轨迹。

板上标有间距为1c m 的浅色坐标线(不同于画笔颜色),以左下角为直角坐标原点,示意图如下。

基本要求(1)控制系统能够通过键盘或其他方式任意设定坐标点参数;(2)控制物体在80c m ×100c m 的范围内作自行设定的运动,运动轨迹长度不小于100c m ,物体在运动时能够在板上画出运动轨迹,限300秒内完成;(3)控制物体作圆心可任意设定、直径为50c m的圆周运动,限300秒内完成;(4)物体从左下角坐标原点出发,在150秒内到达设定的一个坐标点(两点间直线距离不小于40c m )。

这个题目可以看做是由两个以滑轮中心为原点的极坐标系,它们合成的点却要在以左下角为原点的直角坐标系中运动。

我们用单片机作系统进行悬挂运动的电机控制,由键盘输入的值和传感器检测到的信号都送入单片机,经单片机处理后控制电机的转向和转角,从而实现物体在斜板上的运动。

系统由:单片机、LCD显示器,键盘、电机、滑轮、木板和电源几部分组成。

简化的原理图如图2所示。

图2　简化的原理图第25卷第6期 攀枝花学院学报 2008年12月Vol .25.No .6 Journal of Panzhihua University Dec .20082　算法分析方案一:设物体当前坐标为(x,y ),滑轮的半径为r ,则可得α1,α2,其计算公式为:tg =α1=115+r -y 15+80-x tg =α2=15+r -x 115+80-y由此可以得出:A 吊绳长度:LA =115+r -y sinα1B 吊绳长度:LB =115+r -y sinα2由以下步骤可以完成题目要求的功能。

(1)键盘给定坐标参数;(2)给出一组坐标点的参数表查表运行。

坐标轨迹长度大于100厘米;(3)键盘给出圆心坐标然后根据该坐标计算得出一组圆周点的参数;(4)类似(2),已知起点和终点,按某一规律给出两点间一线段参数,查表运行。

说明:在此方案中,圆周点选取的数量,点少了可能不够圆,点多了,计算量比较大,时间可能不够,且未考虑转轮的半径,运动结果误差较大,但仍能满足需求。

方案二:如图3所示.α=arctgy x ;β=arccosΔΔ2+l 2;γ=π2+α-β;k =l sin β;m =Δθ+k 可得:图3　方案二计算示意图 电机运动长度=(运动后的弧长+线长)-(运动前的弧长+线长)再由电机运动长度计算出完成该运动所需的脉冲个数: 脉冲个数=电机运动长度÷一个脉冲内电机运动的长度; 一个脉冲内电机的运动长度=转盘周长÷齿轮个数;由计算出的脉冲个数去控制电机的转动。

由于存在一个被逐级放大的系统误差,即使采用上面的等效方法也无法消除,故可采用下面这种相对较简单的等效方法。

即:电机运动长度=运动前物体到滑轮圆心的距离-运动后物体到滑轮圆心的距离。

注:运动前物体到滑轮圆心的距离即l 和运动后物体到滑轮圆心的距离即l ’均由计算所得。

经分析,本系统采用方案二,虽然实现步骤复杂,但其运动误差更小,运动结果就更准确。

2.3　电机控制电机控制电路设计是利用光电耦合器把单片机信号耦合到控制电路,再由继电器控制电机作相应转动。

从单片机高电平有效信号经过光电耦合器发射二极管,三极管接收后,使复合管导通,继电器内的常开开关将闭合,从而控制电机正反转。

2.4　光电传感器电路设计由于黑白物体的反射系数不同,可利用反射式光电传感器来检测黑白线条,反射光可以使光敏三极管导通和断开,调节传感器与被测对象之间的的距离,使光敏三极管只能接收到白色物体反射回来的光第25卷 攀枝花学院学报 第6期束。

而黑色物体的反射系数小,所反射回来的光束很弱,光敏三极管无法接受到反射光。

从而实现对黑白线条的检测。

还要在输出信号处加控制电路,起隔离强信号和方波整形的作用。

3　系统的软件设计61板配有凌阳自行研发设计的16位单片机开发环境I D E 。

此工具在W indo w s 环境下操作,支持标准C 语言和汇编语言,编译、编程、链接、调试和仿真于一体。

同时还提供大量的编程函数库,大大加快了软件开发的进程。

集成开发环境I D E 具有友好的交互界面、下拉菜单、快捷键和快速访问命令列表等,使编程、调试工作方便且高效。

此外,它的软件仿真功能可以在不连接仿真板的情况下模拟硬件的各项功能来调试程序。

在集成开发环境I D E 中,可以非常方便地将编写好的程序,通过61配套的下载线下载到61板上进行在线调试。

检测光电传感器在系统中有两处在用:一是在电机模块中对脉冲进行计数,二是在寻迹运动中探测黑线。

在电机模块中由单片机送入的脉冲个数控制电机的转动长度,从而控制物体(画笔)的运动,光电检测显示的脉冲数只作为辅助检测,其软件控制较简单。

在寻迹运动中探测黑线就是一个相对复杂的控制,用检测光电传感器子程序来对其进行控制。

单片机从端口读取数据,当检测光电传感器无输入时,即检测到黑线的情况,经分析存在八种可能,对该八种情况分别做不同的运动;当检测光电传感器无输入时,即没有检测到黑线时,同样也存在八种情况,分别做相应的运动。

最终使单片机沿黑线运动。

其运动算法如图4所示,假设起始位置为同一种状态。

纵坐标轴左边的运动为检测到黑线时的运动方向;纵坐标右边的运动为没有检测到黑线的运动方向。

图4　运动算法图主要思路为:设定物体的初始状态,且设定物体总是朝着它的正前方偏左45度走。

当物体在初始状态下(八种)朝着它的正前方偏左45度走后检测到黑线,则物体继续朝着它的正前方偏左45度走;当物体在初始状态下(八种)朝着它的正前方偏左45度走后没有检测到黑线,则物体将回到初始状态,朝着它的正前方偏右45度走,则一定能检测到黑线,检测到后,物体又朝着它的正前方偏左45度走,而走的这两步可用等效法等效为一步,即用当前的坐标去替换正前方偏左45度走后没找到的坐标,注意方向和大小要同时替换。

该子程序的算法很新颖,且控制精度高,使得最后结果误差很小。

显示程序:流程图略,其代码为:void dis pxy (int x,int y )第25卷 欧方平　曹润强:斜面两点悬挂物体运动控制研究 第6期第25卷 攀枝花学院学报 第6期{int s w;s w=x/10;D is pL ist[2]=x%10;D is pL ist[1]=s w%10;D is pL ist[0]=s w/10;if(D is pL ist[0]>9)D is pL ist[0]%=10;s w=y/10;D is pL ist[5]=y%10;D is pL ist[4]=s w%10;D is pL ist[3]=s w/10;if(D is pL ist[0]>9)D is pL ist[0]%=10;D is pFlag=3;}3.1　电机运动子程序通过该子程序来计算电机运动长度,控制电机的运动。

其算法可用下式来表示:电机运动长度=(运动后的弧长+线长)-(运动前的弧长+线长)该程序重在算法,流程图略。

其代码为:fl oat djSport L(fl oat djcs[]) //求电机运动长度{fl oat alfa,bta,len,djs port,te mp1,te mp2;te mp1=djcs[2]-djcs[0]; //k1Xte mp2=djcs[3]-djcs[1]; //k1Yalfa=atanf(te mp2/te mp1);len=sqrtf(te mp13te mp1+te mp23te mp2);bta=acosf(djcs[6]/len);djs port=djcs[6]3(pai/2+alfa-bta)+len3sinf(bta);return(djs port);}3.2　画圆子程序运用此程序完成画圆功能。

其算法主要参照计算机图形学中圆的伯森翰扫描算法。

在进行圆的扫描时,要先生成8分圆,只要能生成8分圆,那么圆的其它部分可通过一系列的简单反射变换得到。

对于中心不在原点的圆,可先通过平移变换,化为中心在原点的圆,再进行扫描转换,把所得的象素坐标加上一个位移量即得所求象素坐标。

流程图略,其代码为:void circle_8(x,y,dlt) //八分圆插补int x,y,dlt;{int i;while(y>x){if(dlt<0){dlt+=23x+3;x++;}else{dlt+=23(x-y)+5;x++;y———;}cirlist[i]=x;i++;第25卷 欧方平　曹润强:斜面两点悬挂物体运动控制研究 第6期cirlist[i]=y;i++;}cirstepbk=i;}4　总结本系统以凌阳16位单片机(SPCE061A)为控制核心,利用光电检测技术并配合一套独特的软件算法实现了物体利用键盘任意设定坐标、在板上做任意设定直线的运动、作规定的圆周运动、从原点到达任意设定的坐标点、显示坐标以及时间、跟踪黑线运动等功能,最终完成竞赛题目中要求的各项任务。

在系统设计过程中,力求硬件线路简单,充分发挥软件编程方便,使用灵活,测试效果精度高的特点,来满足竞赛要求。

参考文献[1]罗亚非等.凌阳16位单片机应用基础[M].北京:航空航天大学出版社,2003年.[2]全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编[M].北京:北京理工大学出版社,2004年.[3]谢自美.电子线路设计[M].实验.测试(第二版)[M].武汉:华中科技大学出版社,2000年.[4]马建国等.电子系统设计[M].北京:高等教育出版社,2004年.[5]康华光,陈大钦.电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2003年.[6]蒋颂军,何晓帆.常用集成电路实测数据手册[M].北京:化学工业出版社,2005年.[7]张友汉等.电子线路设计应用手册[M].厦门:福建科学技术出版社,2003年.Two Dots Suspended M ove ment Controlli n g on the Sl antOu Fang-p ing,Cao Run-qiang(Computer College of Panzhihua University,Panzhihua617000,Sichuan) Abstract:The syste m adop ts m icr ocontr oller(SPCE061A)t o design the dom inant contr ol syste m.I n ter m s of the conditi ons, the m icr ocontr oller is called upon t o contr ol t w o synchr onous mot ors(mot or1&mot or2)turn-left or turn-right t o contr ol the pen dra wing line which needed in the design.The contr ol syste m have several functi ons as foll owing:1.According t o the nu mbers which keyboard input t o find the positi on;2.Contr ol the pen t o dra w a line in the range of80c m×100c m;3.D ra w a circle(d=50c m);4.Move fr om oral-positi on t o the positi on which definiti on;5.Reflecting-infrared sens ors,are app lied t o detect black lines,and send the signal t o the m icr ocontr oller t o contr ol the syste m move al ong the black lines;6.LE D show the keyboard’s input nu mbers but als o show the pen’s positi on.Key word:m icr ocontr oller;move contr ol;reflecting-infrared sens ors。