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魔方第三层的公式悬挂运动控制系统设计与总结报告

作者:高考题库网
来源:https://www.bjmy2z.cn/gaokao
2020-09-12 12:23
tags:海伦公式

学籍网-高一英语必修一课文


悬挂运动控制系统设计与总结报告
摘 要


本系统以STM3 2单片机为控制核心,选用了WZM_2H042MH型号的步进电机
驱动和步进电机,通过单片机IO 口输出的方波作为步进电机的控制信号,信号
经过驱动来驱动步进电机,完成相应的规定动作;同时用矩 阵键盘来控制任意坐
标点的参数,并用LCD液晶显示器显示悬挂物体中画笔所在位置的坐标;软件功< br>能模块主要完成对步进电机运动的位置、速度、方向以及运动时间的控制。系统
通过比较当前画笔 所在位置与设定位置的差异以及运动类型,控制步进电机完成
相应运动;曲线的跟踪寻迹采用红外传感器 来实现。

关键词:STM32、步进电机、驱动、寻迹、悬挂运动

Abstract: The system uses the STM32 single- chip microcomputer as the
control core, selects the WZM_2H042MH type stepping motor drive and
stepper motor, through the single-chip I O port output square wave as
the stepping motor control signal, the signal is driven to drive the
stepping motor, And use the matrix keyboard to control the parameters of
any coordinate point, and use the LCD liquid crystal display to display
the coordinates of the location of the brush in the object; software
function module to complete the stepper motor movement of the location,
speed, direction and movement Time control. The system controls the
stepper motor to complete the corresponding movement by comparing the
difference between the position of the current brush and the setting
position and the movement type. The tracking trace of the curve is realized
by infrared sensor.
Key words: STM32, stepper motor, drive, tracing, suspension movement

一、设计任务
1.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8 0cm×100cm的范围内作自行设定的运动,运动轨迹长度
不小于100cm,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50cm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40 cm)。

2.发挥部分
(1)能够显示物体中画笔所在位置的坐标;
(2)控制物体沿板上标出的任意曲线运动(见示意图),曲线在测试时现场
标出,线宽1.5cm~1 .8cm,总长度约50cm,颜色为黑色;曲线的前一部分是连
续的,长约30cm;后一部分是两段 总长约20cm的间断线段,间断距离不大于1cm;
沿连续曲线运动限定在200秒内完成,沿间断曲 线运动限定在300秒内完成;
(3)其他自由发挥。

3.赛题分析
本赛题是要求两个电机通过协调运动来实现预期的轨迹和寻迹问题,为了控
制运动的精度性,在电机的选 用上我们采用了两相步进电机,通过单片机IO
口输出的方波作为步进电机的控制信号,信号经过驱动来 驱动步进电机,完成相
应的规定动作;同时用矩阵键盘来控制任意坐标点的参数,并用LCD液晶显示器
显示悬挂物体中画笔所在位置的坐标;软件功能模块主要完成对步进电机运动的
位置、速度、方 向以及运动时间的控制;曲线的跟踪寻迹采用红外传感器来实现,
通过四个红外传感探头判断黑线的轨迹 ,调整电机转速控制装置的寻迹运动。
二、设计思路框图



红外寻迹模块




三、定位与控制测量的方法
1.检测方式
根据坐标位置确定拉线长度,对物体进行定位,通过建立数学模型,用C
语言编程实现坐标定位。通过与单片机串口通讯的方式控制电机。一直定滑轮间
距和绳长,应用海伦公 式和勾股定理确定物体坐标。由于电机转速恒定,即拉绳
速度恒定(控制在1cms),则可以通过对电 机转动时间的控制,实现物体的定
位。2个电机的同步控制存在耦合关系,数学模型复杂,不易解耦,控 制算法难
以实现。一种简单的方法便是对两个电机的转动分别控制,采用计算机多进程处
理中应 用的分时复用技术,对电机转动时间细分,以达到减小误差的目的。
电源模块
STM32控制中心
LCD彩屏显示
电机驱动
键盘输入
电磁铁控制电路
2.控制方式
根据题目要求,控制器主要用于控制电机,并对坐标 参数进行处理,控制电
机移动方向。对于控制器的选择有以下两种方案。
方案一:采用FPG A为系统的控制器,FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能,
模块大,密度高,它将所有器件集成在一块 芯片上,减少了体积,提高了稳定性,
并且可应用EDA软件仿真、调试,易于进行功能控制。FPGA 采用并行的输入输
出方式,提高了系统的处理速度,适合作为大规模实时系统的控制核心。通过输
入模块将参数输入给FPGA,FPGA通过程序设计控制步进电机运动,但是由于本
设计对数据处理 的时间要求不高,FPGA的高速处理的优势得不到充分体现,并
且由于其集成度高,使其成本偏高,同 时由于芯片的引脚较多,实物硬件电路板
布线复杂,加重了电路设计和实际焊接的工作。
方案 二:采用stm32作为系统控制的方案。单片机算术运算功能强,软件编
程灵活、自由度大,可用软件 编程实现各种算法和逻辑控制。由于其功耗低、体
积小、技术成熟和成本低等优点,各个领域应用广泛。 并且,由于芯片引脚少,
在硬件很容易实现。因此,在本设计中采用stm32处理输入的数据并控制电 机运
动。
综合上述两种方案,方案二较为简单,可以满足设计要求

四、电机选取方案
方案一:采用直流电机。直流电机具有调速范围宽、低速性能好(起动转矩
大、起动电流小)、运行平稳、噪音低、效率高等优点。
方案二:采用步进电机。步进电机具有控制简单、定位精确、无积累误差等
优点。
基 于上述比较,为了方便地对电机进行无级调速,和需要电机带负载能力强
的特点,这里我们采用步进电机 。
五、画笔收缩方案
方案一:采用继电器对电动机的开和关进行控制,通过开关的切换电磁 铁进
行收缩控制进而达到控制画笔的目的。这个方案的优点是电路较为简单,实现容
易。 方案二:采用三极管开关电路,通过三极管开关电路驱动电磁铁达到对画笔
的収缩目的。这个方案有 点事,廉价且方便。
由于继电器电路更加简便,本系统选择方案一。

六、寻迹方案
探测板上黑线的大致原理是:光线照射到板面并反射,由于黑线和白纸的反射系数不同,可根据接受到的反射光强弱判断是否偏离黑线。
方案一:采用热探测器。由于温度变 化是因为吸收热能辐射能量引起的,与
吸收红外辐射的波长没有关系,即对红外辐射吸收没有波长的选择 ,因此受外界
环境影响比较大。
方案二:使用发光二极管和光敏三极管组合。这种方案的缺点 在于其他环境
的光源会对光敏二极管产生很大的干扰。
方案三:使用红外反射式一体化传感器进行检测。
通过对比,这次设计中由于是近距离探测, 故采用方案三来完成数据采集。
由于红外光波长比可见光长,因此受可见光的影响较小。同时红外线系统 还具有
以下优点:尺寸小、质量轻,便于安装。反射式光电检测器就是其中的一种器件,
它具有 体积小、灵敏度高、线性好等特点,外围电路简单,安装起来方便,电源
要求不高。用它作为近距离传感 器是最理想的,电路设计简单、性能稳定可靠。
七、键盘输入坐标设计
键盘模块电路设计 根据设计需求,本系统中使用了标准的 4×4 键盘,其
电路原理图如下图所示。


图中 C1~ C4 为 4×4 键盘的列信号,L1~L4 为 4×4 键盘的行信号。在
本系统中,用 PF0~PF2 连接 键盘的列信号 C4~C1;用 PF3~PF6, 连接键盘
的行信号 L4~L1。 在本系统中,有五个功能键,分别为S1、S2 、S3、S5、S6。
四个坐标调节键,分别为S9、S13、S10、S14。按键具体功能如下:
S1:直线运动 S2:写字运动 S3:寻迹运动 S4:画圆运动
S9、S13分别控制输入直线运动终点的横纵坐标
S10、S14分别控制输入画圆中心点的横纵坐标
八、运动轨迹控制
1、点到点运动核心算法
假设 E(x0,y0),F(x1,y1)为给定平面范围上的任意两点,作辅助线,以绑
在运动模块上 的两条直线为斜边分别构成两个直角三角形⊿ABE 和⊿CDE。设这
两条直线长分别为 a0 和 b0,那么,在直角三角形⊿ABE 中 a02= (x0+15)2+
(115-y0)2 在直角三角形⊿CDE 中: b02= (95-x0)2+ (115-y0)2 同理对于 F 点,
两拉线长分别为: a12= (x1+15)2+ (115-y1)2 b12= (95-x1)2+ (115-y1)2 因
此当悬挂物从 E 点运动到 F 点时: 电机 1 的收放线长度为 c(当 c0 时,电
机反转(或拉 线收缩)) c=a0-a1 电机 2 的收放线长度为 d(当 d0 时,电机
正转(或 拉线伸长)) d=d0-d1 根据 c,d 的正负分别确定电机 1,电机 2 的
正反转向。 为了使运动轨迹更加平滑,采用脉冲宽度调制技术控制直流电机驱
动芯片 drv8833,以 实现对电机的转速工作状态进行快速而准确的控制,设电
机 1 所运行的线值为 n,电机 2 所 运行的线值为 m,则输出到电机 1 和电机
2 的定时器初值比例为 nm,这样可使电机 1 和 电机 2 同步到达目标点。在
点到点运行中,假设电机 2 的定时器初值为 t,则电机 1 的定时 器初始为
nm*t,该算法可能会造成电机所运行的路径为一条曲线,可以将直线分成几个
线 段来运行,使得所运行轨迹精度更高,直线更平滑。
2、画圆算法

本设计要求悬挂物能够画一个圆,采用微分曲线直线逼近法。首先将圆周
等分为 N 份, 将每小份弧线段等效为直线段画出,N 越大,曲线就光滑。 设
所画圆的圆心坐标为(x0,y0)半径为固定的 25cm,(x,y)为圆周上的任意一点,
由此 确定圆的方程为: (x*x0)2+(y-y0)2=25^2 若直接使用该方程来求圆上点
的坐标,算法比较复杂,采用了圆的参数方程: X=x0+25sint Y=y0+25cost (x0,y0)
为圆心坐标 这样,则圆的坐标仅与参数 t 有关,因此,使角度 t 以某一设定
的角度步长 v 累加,使 t+q*v 在周期[t,t+2π]内变化,其中 q 为累加值。这
样就可以采样到圆上均匀的点,显然,角 度步长 v 越小,在圆周上取得点越多,
控制也会更精确。
十、系统装置实物图



十一、系统测试
为了确定系统与题目要求的符合程度,我们对系统中的关键部分进行了测试。
位置测试 如下: 直线测试表 圆弧测试表
直线测试表
原点坐标(x,y) 输入坐标(x,y) 实际测量距离值
误差值
(20cm,20cm) (60cm,60cm)

(60,62cm)

0cm-2.0cm
(20cm,20cm)

(50cm,70cm)

(52cm,72cm)

2.0cm
运行时间
61s
65s
圆弧测试表
原点坐标(x,y) 实际测量距离 误差值 运行时间
(40cm,50cm) 23cm-27cm ±2cm 167s
(40cm,50cm) 23cm-27cm ±2cm 168s
写字运动测试表
写字 运行时间
电协 248s
王 70s
寻迹运动测试表
寻迹运动 运行时间
寻黑色轨迹 130s

组员:戢鹏飞、黄荣、曹聪
具体程序见附件:
sion movement(int)

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