基于自由擺的平板精確控制與激光追蹤系統(tǒng)

摘要：以TI公司的MSP430F5438單片機(jī)為控制核心，結(jié)合步進(jìn)電機(jī)和精密電位器WDD35D-4，實(shí)現(xiàn)了基于自由擺的平板控制與激光追蹤系統(tǒng)。當(dāng)擺桿擺角為45°～60°時(shí)，平板可以承載8枚一元硬幣，并在5個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)維持穩(wěn)定；當(dāng)擺桿擺角為30°～60°時(shí)，固定在擺桿平板上的激光筆可以在15 s內(nèi)找到并跟蹤1．5 m遠(yuǎn)處的靶心。
關(guān)鍵詞：MSP430F5438；激光追蹤；精密電位器；自由擺

引言
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于嵌入式系統(tǒng)的自動(dòng)控制在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械復(fù)雜度越來越高，單純?cè)陟o止條件下的自動(dòng)控制已經(jīng)不能滿足人們對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的要求，因此，研究如何在動(dòng)態(tài)條件下對(duì)系統(tǒng)實(shí)施精確測(cè)量與控制是十分必要的。本文介紹了一種基于自由擺的平板精確控制與激光追蹤系統(tǒng)。在現(xiàn)代工業(yè)中，這種系統(tǒng)可以適應(yīng)工業(yè)發(fā)展，應(yīng)用在復(fù)雜度較高的自動(dòng)化生產(chǎn)中，在生產(chǎn)過程中可以同時(shí)完成測(cè)量與控制，提高生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1．1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由控制模塊、采集模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、步進(jìn)電機(jī)、自由擺平板和激光筆，以及調(diào)試模塊組成。其中，采集模塊采用WDD35D-4精密電位器，當(dāng)自由擺擺桿擺動(dòng)時(shí)，電位器的阻值會(huì)發(fā)生變化，從而反應(yīng)擺桿的位置信息。控制模塊采用低功耗單片機(jī)MSP430F5438作為處理器，MSP430F5438內(nèi)置A／D模塊，可以采集精密電位器反饋的模擬信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)選用東芝公司的TB6560芯片，該芯片是低功耗、高集成兩相混合式驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，用以控制自由擺平板和激光筆的位置。調(diào)試模塊用于控制模塊程序下載與系統(tǒng)調(diào)試，正常工作時(shí)不使用。

1．2 自由擺機(jī)械結(jié)構(gòu)
自由擺機(jī)械主要由固定支架、轉(zhuǎn)軸、擺桿、電機(jī)、平板、激光筆構(gòu)成，如圖2(a)所示。自由擺轉(zhuǎn)軸上連接有精密電位器作為擺桿角度傳感器，電機(jī)固定在擺桿底部，平板固定在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上。自由擺擺動(dòng)示意圖如圖2(b)所示，在平板上放置8枚一元硬幣，在擺桿擺動(dòng)過程中，電機(jī)和平板也會(huì)隨擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，通過單片機(jī)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使硬幣穩(wěn)定在平板上。同時(shí)，在平板下方與平板平行的方向固定有激光筆，通過系統(tǒng)控制，可以實(shí)現(xiàn)在擺桿擺動(dòng)過程中激光筆跟蹤預(yù)設(shè)目標(biāo)的功能。

2 理論分析
2．1 自由擺精確控制理論
在平板中心穩(wěn)定放置8枚1元硬幣(人民幣)，抬起擺桿讓擺桿與支架成一定角度θ(45°≤θ≤60°)，放開擺桿讓其自由擺動(dòng)。自由擺精確控制必須達(dá)到以下目標(biāo)：在擺桿擺動(dòng)過程中，要求控制平板狀態(tài)，使硬幣在5個(gè)擺動(dòng)周期中不會(huì)從平板上滑落，并盡量減少滑離平板的中心位置。
要達(dá)到以上目的，電機(jī)必須根據(jù)相關(guān)參數(shù)控制平板的角度，保證擺桿擺動(dòng)過程中硬幣的受力平衡。分析自由擺擺動(dòng)過程，精確控制主要得保證從擺桿初始位置到平板與擺桿垂直(該狀態(tài)無(wú)須主動(dòng)控制硬幣即可受力平衡)的過程中，硬幣保持相對(duì)穩(wěn)定。