平板球?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)—硬件設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告

題 目平板球?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)-硬件設(shè)計(jì)學(xué) 院專 業(yè)姓 名班 級(jí)學(xué) 號(hào)指導(dǎo)教師孫偉華一、綜述本課題國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，說(shuō)明選題的依據(jù)和意義1.國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀針對(duì)板球控制系統(tǒng)的研究，目前國(guó)內(nèi)研究的狀況如下：清華大學(xué)模糊控制教研組于2000 年前后開(kāi)始對(duì)板球控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，提出了 T-S 多變量模糊控制方案，并在仿真環(huán)境下進(jìn)行了軌跡規(guī)劃和跟蹤實(shí)驗(yàn)。之后開(kāi)發(fā)了基于視覺(jué)的板球控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)模糊控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)板球?qū)嶒?yàn)平臺(tái)的穩(wěn)定控制。大連理工大學(xué)的李洪興教授及其研究生設(shè)計(jì)了變論域模糊控制器，在 simulink 環(huán)境下進(jìn)行仿真，相對(duì)位置式 PID 和增量式 PID 有較好控制效果，最后在自己研發(fā)的仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了小球?qū)φ叫魏蛨A形的軌跡跟蹤，取得了較好的控制效果。吉林大學(xué)的田彥濤教授及其研究生設(shè)計(jì)了基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的狀態(tài)觀測(cè)器，對(duì)板球控制系統(tǒng)中摩擦力狀態(tài)進(jìn)行了在線實(shí)時(shí)估計(jì)，并對(duì)估計(jì)后的摩擦力進(jìn)行分析，得到與摩擦力相關(guān)的因素，推導(dǎo)出摩擦力的數(shù)學(xué)模型，最后設(shè)計(jì)了摩擦力補(bǔ)償器對(duì)摩擦力進(jìn)行補(bǔ)償，并在基于視覺(jué)的板球控制系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證，2009 年前后，設(shè)計(jì)了板球系統(tǒng)的參數(shù)自調(diào)整反步控制，考慮控制量受飽和特性限制而引入的約束條件，利用遺傳算法優(yōu)化模糊規(guī)則，降低了鎮(zhèn)定控制中的位置超調(diào)和偏差。中南大學(xué)張修如教授及其研究生對(duì)板球控制系統(tǒng)的視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，獲取了小球的實(shí)際位置。另外上海交通大學(xué)開(kāi)發(fā)了臺(tái)面球系統(tǒng)利用氣缸伺服控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，以及臺(tái)灣的成功大學(xué) C.C.Ker 采用接觸式的控制面板構(gòu)建了板球?qū)嶒?yàn)平臺(tái)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了控制。經(jīng)過(guò)這些年的發(fā)展國(guó)內(nèi)很多大學(xué)都建立了自己的板球控制系統(tǒng)的實(shí)物仿真平臺(tái)，不再只是基于 simulink 仿真的研究，并在板球系統(tǒng)上驗(yàn)證控制算法。在國(guó)外伊朗德黑蘭大學(xué)的 Carolucas 等人在 CE151 板球?qū)嶒?yàn)平臺(tái)上，設(shè)計(jì)基于遺傳內(nèi)插算法的模糊控制器，實(shí)現(xiàn)了小球的定位控制。1992 年，美國(guó)著名的控制理論專家Hauser.J 應(yīng)用線性化理論，對(duì)板球控制系統(tǒng)的輸入輸出變量進(jìn)行局部線性化得到了其簡(jiǎn)化的線性模型，在板球控制系統(tǒng)上獲得了較好的控制效果。通過(guò)觸摸屏檢測(cè)小球的位置，建立系統(tǒng)簡(jiǎn)化的線性系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，小球的定位控制精度為 5mm，跟蹤圓軌跡徑向平均誤差 18mm，運(yùn)行速度小于 4.2mm/s。漢陽(yáng)大學(xué)的學(xué)者提出了變結(jié)構(gòu)自適應(yīng)控制器，控制的核心是采用分層模糊 CMAC 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，成功的實(shí)現(xiàn)了球的定位控制。FANX 在板球系統(tǒng)的仿真平臺(tái)上，在環(huán)境不變的情況下，研究球的軌跡規(guī)劃及跟蹤問(wèn)題。2.意義板球系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是指對(duì)于平板在X軸與,軸方向上的傾斜角度進(jìn)行不斷地調(diào)整，以控制小球在板上平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。因此，我們說(shuō)板球系統(tǒng)的被控對(duì)象是平板,通過(guò)兩個(gè)互相垂直的旋轉(zhuǎn)軸來(lái)加以控制該平板，平板上方的攝像頭可以采集到小球處于平板上的位置信息，然后將該信息反饋給控制系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的控制算法使得控制系統(tǒng)對(duì)于平板的傾斜角度進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)小球的定位控制以及特定運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的目的。對(duì)于板球系統(tǒng)的研究，不僅取得了大量的理論成果，而且在很多實(shí)際應(yīng)用方面也發(fā)揮著舉足輕重的作用，例如機(jī)器人控制、衛(wèi)星定位、航空航天等領(lǐng)域。所謂欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，意味著系統(tǒng)的自由度大于其獨(dú)立的控制輸入數(shù)目。從該角度出發(fā)，板球系統(tǒng)的研究意義也十分重大。欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的典型例子包括機(jī)器人的操縱者、輪式機(jī)器人、步行機(jī)器人、宇宙飛船、飛機(jī)、直升機(jī)、導(dǎo)彈、水面艦艇以及水下車輛等?？蓮囊韵聝蓚€(gè)方面，對(duì)欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究意義進(jìn)行概括。(1)從制造角度而言，不僅可以節(jié)省控制系統(tǒng)的費(fèi)用，而且還可以減少控制系統(tǒng)的質(zhì)量，也就是說(shuō)用較少的控制設(shè)備取代原有的較多的控制設(shè)備以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，卻不以犧牲理想的控制效果為代價(jià)。(2)從實(shí)際應(yīng)用層面來(lái)看，若系統(tǒng)中某控制設(shè)備突然出現(xiàn)故障時(shí)，這時(shí)可以發(fā)揮依然能夠正常工作的控制設(shè)備的作用，繼續(xù)對(duì)系統(tǒng)實(shí)施控制，能夠大幅度地提高系統(tǒng)的可靠性。因此，可以看出，其重要意義在于不僅僅可以降低由故障導(dǎo)致的系統(tǒng)癱瘓這種可能性，而且也可以降低隨之帶來(lái)的損失。正因?yàn)槿绱?，近些年?lái),欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究得到了眾多研究人員的關(guān)注.與此同時(shí)，板球系統(tǒng)的研究還涉及到很多方面的技術(shù)，例如非線性動(dòng)力學(xué)建模、反饋線性化等多種關(guān)鍵技術(shù)，平板上的小球只與平板表面相接觸，而沒(méi)有其余的約束力對(duì)板球系統(tǒng)的反步滑模自適應(yīng)控制其進(jìn)行控制，可見(jiàn)，控制小球在一個(gè)存在摩擦等非線性因素的環(huán)境下進(jìn)行軌跡跟蹤是一個(gè)十分困難的問(wèn)題.因此，綜合上述幾方面原因，本文所研究的內(nèi)容理論意義與實(shí)際價(jià)值并重。二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問(wèn)題：1.基本內(nèi)容通過(guò)學(xué)習(xí)DXP硬件繪制電路板軟件, 進(jìn)行硬件原理圖和PCB設(shè)計(jì)。繪制電機(jī)驅(qū)動(dòng)7971電路和紅外通信模塊電路，對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行搭建，KEIL軟件編程軟件的使用對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，對(duì)分控端的數(shù)據(jù)采集并分析比較。擬解決的主要問(wèn)題：（1）單片機(jī)怎么根據(jù)攝像頭采集的信號(hào)識(shí)別小球？（2）單片機(jī)怎么根據(jù)攝像頭采集的信號(hào)判斷小球的位置？（3）怎么通過(guò)單片機(jī)程序控制紅外模塊控制小球的運(yùn)動(dòng)？（4）怎么解決攝像頭采集到的信號(hào)與實(shí)際圖像存在偏差？（5）怎么克服靶區(qū)內(nèi)其他因素的影響？（6）怎么控制電機(jī)讓小球運(yùn)動(dòng)到任意位置？2實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程：（1）搭建基本的硬件平臺(tái)，查找相關(guān)資料，整理出多種方案，比較確定最終方案。（2）將攝像頭采集的信號(hào)顯示在液晶屏上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。（3）通過(guò)攝像頭識(shí)別出找到小球。（4）通過(guò)攝像頭采集的信號(hào)識(shí)別小球并判斷其坐標(biāo)，確定其位置。（5）通過(guò)查找資料解決電機(jī)的控制，還有驅(qū)動(dòng)的操作。（6）測(cè)試整體程序的穩(wěn)定性，并完善解決其中的問(wèn)題，提高穩(wěn)定性。三、研究步驟、方法及措施：1.研究步驟（1）整個(gè)分控端的硬件設(shè)計(jì)與制作，PCB畫圖以及投板制作后的元器件焊接，實(shí)現(xiàn)整個(gè)硬件平臺(tái)的搭建（2）整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試，實(shí)現(xiàn)各個(gè)預(yù)定的功能2.完成論文的條件（1）校圖書館提供相關(guān)資料；（2）通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)查詢相關(guān)信息及最新動(dòng)態(tài)；（3）通過(guò)所學(xué)知識(shí)及相關(guān)教材初步了解；（4）其他條件協(xié)商解決。四、研究工作進(jìn)度：序號(hào)時(shí)間內(nèi)容12015.11.10任務(wù)下達(dá)22015.11.10-2015.12.27任務(wù)相關(guān)資料查閱32015.12.28-2016.3.10任務(wù)方案初步確定及設(shè)計(jì)42016.3.11開(kāi)題報(bào)告會(huì)52016.3.12-2016.4.14文獻(xiàn)綜述、外文翻譯、及前期方案設(shè)計(jì)62016.4.15中期檢查72016.4.16-2016.5.20畢業(yè)設(shè)計(jì)本體設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及測(cè)試，材料撰寫82016.5.21-2016.6.2畢業(yè)設(shè)計(jì)完善、論文等過(guò)程材料撰寫，查重等92016.6.3-2016.6.8答辯報(bào)告會(huì)102016.6.9-2016.6.15材料整改五、主要參考文獻(xiàn)：1 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