点光源跟踪系统_第三组.doc

点光源跟踪系统
摘 要：
本系统以为主控芯片，利用对光源电流进行监控，通过光敏三极管（）组成的传感器阵列检测点光源发出的光信号，经过双运算放大器将信号滤波放大，并经由自带模块转换处理，系统使用PI算法，控制由步进电机构成的云台工作，从而达到对点光源的跟踪。

关键字： 光敏三极管 PI算法 云台 细分

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目 录

一、方案的设计和论证 1
1、控制器的选择 1
2、传感器的选择 1
3、电机驱动的选择 1
二、系统总体设计方案及实现方框图 2
三、理论分析与计算 2
1、电机细分数的确定 2
2、电机定位误差分析 2
3、离散型PI控制的设计 3
四、主要功能电路的设计 3
1、白光LED驱动及检测模块 4
2、光照检测模块 4
3、电机驱动模块 4
五、系统软件的设计 4
1、软件的设计 4
2、软件流程图 5
六、测试数据与分析 5
1、使用仪器及型号 5
2、测试方案 6
3、测量数据 6
4、数据分析 6
七、总结分析与结论 6
八、附录 6

一、方案的设计和论证
MSP430
电机驱动
云台（步进电机）
信号处理
感光元件
图一 运动控制系统及其组成
根据题意可知，本系统是一个典型的闭环控制系统，组成模块有控制器、电机驱动、云台（步进电机）、检测模块，其整体结构如图1所示：
发光1W LED的电流可调，光敏三极管组成的传感器阵列检测点光源发出的光信号，检测到的信号经处理后交由单片机，MSP430通过算法来确定步进电机要偏转的角度，并产生PWM波控制步进电机上下左右的转动，从而使激光笔指向点光源。
1、 控制器的选择
方案一：采用51系列单片机，该类单片机的抗干扰能力较强，上手容易，应
用比较广泛，但其I\O口比较有限，而系统的实现程序量较大，所需的I\O口资源较多看，51单片机在这一点上难以胜任。
方案二：利用TI的单片机MSP430，该芯片集成了模拟电路、数字电路、微处理器，具有AD采样、比较器、产生PWM控制信号等功能。此外，MSP430有更充足的I/O口，可以很好的实现整个系统的控制。
综上分析，系统采用方案二。
2、传感器的选择
方案一：采用CCD图像采集传感器，该传感器在分辨率、动态范围、灵敏度、实时传输和自扫描等方面都具有优越性，但是算法很复杂，难于在短时间内实现。所以此方案没有被采纳。
方案二：可见光照度传感器，该传感器是一个光电集成传感器，内置敏感元接收器，可见光范围内，输出电流照度呈线性变化，暗电流小，低照度响应，灵敏度高。
方案三：光敏三极管，光敏三极管的种类一般为硅管和锗管，可选择接受波长接近LED光谱的硅光敏三极管，其输出电流和照度也成线性变化，通过合理的布局，将传感器阵列和激光笔固定在一起，传感器阵列动态检测光源位置和强弱。
光敏三级管与可见光照度传感器满足要求，综合考虑，选择方案三，光敏三极管在反映速度，变化灵敏度方面都有较好的特性。
3、电机驱动的选择
控制激光笔转动的是两步进电机组成的云台，电机驱动方案如下：
方案一：利用驱动专用芯片L298，L298是集成的桥式驱动电路，最大驱动电流可达到4A。该芯片使用时外围电路简单，控制方法十分方便。而且其驱动效果良好，配合L297可实现步进的精确控制。
方案二：使用细分芯片THB7128，该驱动芯片将L298、L297集成，并将电机的工作方式增设为八种，通过M1、M2、M3的选择来控制细分数，且该芯片具有发热量小的优点，最大细分可达128细分 。
由于L298芯片发热量大，若不注意散热及电路保护极容易烧毁，故不太稳定，为了达到精确的控制，且在电机运行过程中有较小的步进角而不产生失步，系统选用方案二作为步进电机的驱动模块。
二、系统总体设计方案及实现方框图
本系统以MSP430为控制核心，通过键盘确定云台工作方式，单片机AD采集数据后处产生PWM波给电机驱动，以决定电机所要转动的角度，从而控制云台运动。点光源电流由INA270检测，并由单片机处理显示在LCD，总体方框图如下：
图二 总体方框图

MSP430
电源系统
键盘
电机驱动
光敏三极管
12864
步进
电机
激光笔
点光源

三、理论分析与计算
1、电机细分数的确定
根据题意，光源距地面高约100cm，支架可以用手动方式沿着以A为圆心、半径r约173cm的圆周在不大于±45º的范围内移动，系统所选步进电机的步进角为1.8度，电机每转一度，激光点在光源处移动的距离为：

显然不满足题目要求，要减小,就须得对电机的步进角进行细分，从而减小误差，采用细分芯片THB7128对单步进行细分，设计为64细分，则有：

细分后可大大减小误差，且使电机平滑转动，达到所需指标。
2、电机定位误差分析
控制电机启停的PWM波频率为，实际测验中由于光敏三极管受到环境光的影响以及电路本身造成的各类噪声影响使得三极管输出电平会不断跳变，为了提高采样值的准确性，程序设定为每采样15次进行一次求平均值处理。
激光束定位到光源点时将信号输入单片机处理后输出给电机停止命令是需要时间的，这段时间内电机仍处于上一个工作状态，故而电机停止后会出现一段定位误差,的大小取决于单片机采样频率（设为)，则实际采样频率为。步进电机的步进速率为500步/s，步进角为，再由几何关系可计算得投影在LED灯后的圆盘上的线速度：

再除以实际采样频率即可得定位误差=。若要减小该误差可以适当加大采样频率，本系统在程序控制采用电机转动时关AD中断，从而减小了这一误差。
3、离散型PI控制的设计
本系统中的光敏三极管分布如下：

当正对光源时，对采集回来的信号进行了调整校正。调整为、、,校正之后方便于寻光。
在跟踪光源过程，为使激光笔正对光源，利用左右两端光敏三极管A、B的幅值之差逐次逼近并达到校准时的给定值,当程序判定时即说明激光束已对准LED光源。算法中将其输出作为一个有效采样值，再使用PI算法将校准值与实际值的偏差量作为输入量，通过不断修正偏差量的值使输出值快速地逼近校准值,PI算法的一般公如下：

式中比例值设为1，为处理后输出量，为偏差值输入量，为积分时间常数,为PI调节前的输出量。通过积分防止了干扰信号造成的突变量的影响，但由于的每次取值都有一个采样时间间隔使该函数较离散，所以将上式修改为：

其中，为输入比较总量，代表跳变较大的突变量。如此边可做到过滤突变量影响的作用，该算法称为离散型PI控制算法。
四、主要功能电路的设计
1、白光LED驱动及检测模块
系统采用LM317线性稳压芯片，由芯片特性得端与端电压恒为。电路中需要的可调电流。，故范围为，应采用阻值为的功率滑阻。
检测电流与输出电压呈线性关系，关系式为：,为了达到电压小于,设的电流对应输出电压为，则由关系式得。电流为时，监测电阻阻值大小为，故应采用的功率电阻。若为时，,此时，其原理图见附录图四。
2、光照检测模块
系统采用检测光照，接收光信号的频谱中心频率为，发出的光谱是离散谱，是由两个波长的光复合而成的白光，日光灯的谱线也是离散的，是经过100Hz频率调制过的光，所以必须加滤波器以滤除。由于输出的电压幅值较小，最大约为，信号还需放大。送入单片机最电压设为，故放大倍数为5倍，选择低失调电压的双运放。光敏三极管经射极跟随，输出电压进行滤波。设计为的低通，三极管输出电阻可忽略，滤波电阻阻值为16K，电容为。故。频率为。
原理图见附录图五。
3、电机驱动模块
电机驱动使用细分芯片THB7128，根据PDF采用该芯片的典型应用电路，原理图见附录图六。检测电阻选用的功率电阻，则电流和基准电压的设置按如下的公式计算。为衰减时间设置，在此取电容为。
五、系统软件的设计
1、软件的设计
为了加强系统的适应性，系统在初始化时先将激光对准光源，并读取六个传感器的采集数据，系统将红外传感器读取的数据求差，并记录AB传感器、CD传感器、EF传感器的差值、、作为系统默认锁定光源的参变量。校准后将激光头偏离光源，并开始跟踪光源，跟踪过程，对差值进行比较，即分别读取偏离环境后水平方向四个传感器的参数值和竖直位置对称传感器的参数值，再通过PI算法将差值转化为对应步进电机的转向角度。
软件采用水平方向，竖直方向交替采样，纠正角度的方法，首先对CD光敏三极管进行扫描，纠正角度，当差值时，开始对AB三极管进行扫描，当时，系统默认为水平跟踪完成。当，则竖直方向跟踪完毕。校正完毕，继续读取差值，若有变化，则重复以上步骤。在系统运行过程中，启停指令的发送以及模式的切换由键盘发送，而显示则由液晶12864完成。
2、软件流程图

图三 软件流程图

六、测试数据与分析
1、使用仪器及型号
清华同方计算机： CPU+内存+操作系统
直流稳压稳流电源：型号YB1731A 3A 万用表：型号MS8265
数字存储示波器： 型号GOS-1062
数字信号源： 型号SG1040 其它设备：米尺 秒表
2、测试方案
按照题目要求，用实物搭建模型，移动光源或改变电流，本小组一人利用矩阵式按键负责选择单片机工作状态；一人负责使用秒表计时，最小刻度取0.01s；另一人站在直径60cm的黑色圆盘后手动控制支架移动，同时利用一端固定在LED所在位置对应的圆盘背面的直尺读取误差值。由于测量时光束移动较快，故而跟踪过程的最大偏差值是估测的。
3、测量数据

第一次测量
第二次测量
测试
内容
最大
偏差
定位
偏差
所用
时间
最大
偏差
定位
偏差
所用
时间
左 右
偏

上 下偏

圆弧
跟踪

直线
跟踪

转角
跟踪

亮度
调节

4、数据分析
系统使用了自适应环境的校准以及PID算法，使得跟踪效果很好，每次定位完成时，其最大偏差都保持在以内，很多时候可以达到无偏差。但外界环境改变，会引起较大的偏差，如拉开窗、打开日光灯。由于没有对进行光谱调制，这种干扰无法消除。
七、总结分析与结论
该系统对于静止点光源定位的精度都较为准确，可见自适应、离散型PI等一系列算法减小误差的作用明显,有效地通过算法滤除了光敏三极管输入的干扰信号。另一方面，一个稳定且精度高的机械结构也很重要，只有保证了云台的平稳才能使激光束移动轨迹平滑准确，只有尽可能使竖直和水平方向的光敏三极管分布不偏斜，才能减小不必要的采样误差。系统的缺陷是没有对的光谱进行调制，使得自然光对系统的干扰很大，但在较暗环境下，所有的指标是都可以达到的。
八、附录

图四 LED驱动及检测模块

图五 滤波放大电路

图六 电机驱动