1、题 目 平板球实验系统-硬件设计学 院专 业姓 名班 级学 号指导教师 孙伟华一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义1.国内外的发展现状针对板球控制系统的研究，目前国内研究的状况如下：清华大学模糊控制教研组于 2000 年前后开始对板球控制系统进行研究，提出了 T-S 多变量模糊控制方案，并在仿真环境下进行了轨迹规划和跟踪实验。之后开发了基于视觉的板球控制系统仿真平台，设计模糊控制器，实现了对板球实验平台的稳定控制。大连理工大学的李洪兴教授及其研究生设计了变论域模糊控制器，在 simulink 环境下进行仿真，相对位置式 PID 和增量式 PID 有较好控制效果，最后在自己研发的仿
2、真平台上实现了小球对正方形和圆形的轨迹跟踪，取得了较好的控制效果。吉林大学的田彦涛教授及其研究生设计了基于扩展卡尔曼滤波的状态观测器，对板球控制系统中摩擦力状态进行了在线实时估计，并对估计后的摩擦力进行分析，得到与摩擦力相关的因素，推导出摩擦力的数学模型，最后设计了摩擦力补偿器对摩擦力进行补偿，并在基于视觉的板球控制系统中进行验证，2009 年前后，设计了板球系统的参数自调整反步控制，考虑控制量受饱和特性限制而引入的约束条件，利用遗传算法优化模糊规则，降低了镇定控制中的位置超调和偏差。中南大学张修如教授及其研究生对板球控制系统的视觉系统进行了研究，获取了小球的实际位置。另外上海交通大学开发了台
3、面球系统利用气缸伺服控制机构进行控制，以及台湾的成功大学 C.C.Ker 采用接触式的控制面板构建了板球实验平台，并对实验装置进行了控制。经过这些年的发展国内很多大学都建立了自己的板球控制系统的实物仿真平台，不再只是基于 simulink 仿真的研究，并在板球系统上验证控制算法。在国外伊朗德黑兰大学的 Carolucas 等人在 CE151 板球实验平台上，设计基于遗传内插算法的模糊控制器，实现了小球的定位控制。1992 年，美国著名的控制理论专家Hauser.J 应用线性化理论，对板球控制系统的输入输出变量进行局部线性化得到了其简化的线性模型，在板球控制系统上获得了较好的控制效果。通过触摸屏
4、检测小球的位置，建立系统简化的线性系统模型，设计状态反馈控制器对系统进行控制，小球的定位控制精度为 5mm，跟踪圆轨迹径向平均误差 18mm，运行速度小于 4.2mm/s。汉阳大学的学者提出了变结构自适应控制器，控制的核心是采用分层模糊 CMAC 神经网络控制，成功的实现了球的定位控制。FANX 在板球系统的仿真平台上，在环境不变的情况下，研究球的轨迹规划及跟踪问题。2.意义板球系统的实质是指对于平板在X轴与,轴方向上的倾斜角度进行不断地调整，以控制小球在板上平稳运动。因此，我们说板球系统的被控对象是平板,通过两个互相垂直的旋转轴来加以控制该平板，平板上方的摄像头可以采集到小球处于平板上的位置
5、信息，然后将该信息反馈给控制系统，通过设计不同的控制算法使得控制系统对于平板的倾斜角度进行控制，以实现小球的定位控制以及特定运动轨迹跟踪的目的。对于板球系统的研究，不仅取得了大量的理论成果，而且在很多实际应用方面也发挥着举足轻重的作用，例如机器人控制、卫星定位、航空航天等领域。所谓欠驱动系统，意味着系统的自由度大于其独立的控制输入数目。从该角度出发，板球系统的研究意义也十分重大。欠驱动系统的典型例子包括机器人的操纵者、轮式机器人、步行机器人、宇宙飞船、飞机、直升机、导弹、水面舰艇以及水下车辆等。可从以下两个方面，对欠驱动系统的研究意义进行概括。(1)从制造角度而言，不仅可以节省控制系统的费用，
6、而且还可以减少控制系统的质量，也就是说用较少的控制设备取代原有的较多的控制设备以实现系统控制，却不以牺牲理想的控制效果为代价。(2)从实际应用层面来看，若系统中某控制设备突然出现故障时，这时可以发挥依然能够正常工作的控制设备的作用，继续对系统实施控制，能够大幅度地提高系统的可靠性。因此，可以看出，其重要意义在于不仅仅可以降低由故障导致的系统瘫痪这种可能性，而且也可以降低随之带来的损失。正因为如此，近些年来,欠驱动系统的研究得到了众多研究人员的关注.与此同时，板球系统的研究还涉及到很多方面的技术，例如非线性动力学建模、反馈线性化等多种关键技术，平板上的小球只与平板表面相接触，而没有其余的约束力对
7、板球系统的反步滑模自适应控制其进行控制，可见，控制小球在一个存在摩擦等非线性因素的环境下进行轨迹跟踪是一个十分困难的问题.因此，综合上述几方面原因，本文所研究的内容理论意义与实际价值并重。二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：1.基本内容通过学习 DXP 硬件绘制电路板软件, 进行硬件原理图和 PCB 设计。绘制电机驱动 7971 电路和红外通信模块电路，对整个模型进行搭建，KEIL 软件编程软件的使用对目标板进行调试，对分控端的数据采集并分析比较。拟解决的主要问题：（1）单片机怎么根据摄像头采集的信号识别小球？（2）单片机怎么根据摄像头采集的信号判断小球的位置？（3）怎么通过单片机程序控制红
8、外模块控制小球的运动？（4）怎么解决摄像头采集到的信号与实际图像存在偏差？（5）怎么克服靶区内其他因素的影响？（6）怎么控制电机让小球运动到任意位置？2实验研究过程：（1）搭建基本的硬件平台，查找相关资料，整理出多种方案，比较确定最终方案。（2）将摄像头采集的信号显示在液晶屏上，实现实时监测。（3）通过摄像头识别出找到小球。（4）通过摄像头采集的信号识别小球并判断其坐标，确定其位置。（5）通过查找资料解决电机的控制，还有驱动的操作。（6）测试整体程序的稳定性，并完善解决其中的问题，提高稳定性。三、研究步骤、方法及措施：1.研究步骤（1）整个分控端的硬件设计与制作，PCB 画图以及投板制作后的元
9、器件焊接，实现整个硬件平台的搭建（2）整个系统的调试，实现各个预定的功能2.完成论文的条件（1）校图书馆提供相关资料；（2）通过互联网查询相关信息及最新动态；（3）通过所学知识及相关教材初步了解；（4）其他条件协商解决。四、研究工作进度：序号 时间 内容1 2015.11.10 任务下达2 2015.11.10-2015.12.27 任务相关资料查阅3 2015.12.28-2016.3.10 任务方案初步确定及设计4 2016.3.11 开题报告会5 2016.3.12-2016.4.14 文献综述、外文翻译、及前期方案设计6 2016.4.15 中期检查72016.4.16-2016.5.
10、20 毕业设计本体设计、实现及测试，材料撰写82016.5.21-2016.6.2 毕业设计完善、论文等过程材料撰写，查重等9 2016.6.3-2016.6.8 答辩报告会10 2016.6.9-2016.6.15 材料整改五、主要参考文献：1 熊若男. 浅谈计算机技术与信息技术联用J. 数字技术与应用,2014,02:231.2 王国军,陈松乔 . 自动控制理论发展综述J. 微型机与应用. 2000(06) 3 李芳. 板球系统设计及控制系统研究D. 内蒙古科技大学,20134 徐云云. 基于视觉的板球控制系统算法研究D. 西华大学 20125 王旭芳. 板球系统的反步滑模自适应控制D.
11、大连理工大学,2013.6 H. Date, M. Sampei, M. Ishikawa and M. Koga, “Simultaneous control of position and orientation for ball-plate manipulation problem based on time-State control form,“ in IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 20, no. 3, pp. 465-480, June 2004.7 Z. Shi and F. Liu, “An Accurac
12、y Indicator of Control System and Its Application in Ball&Plate System,“ 2015 Fifth International Conference on Instrumentation and Measurement, Computer, Communication and Control (IMCCC), Qinhuangdao, 2015, pp. 1516-1520.8 苏金涛,田彦涛,白明. 基于监督模糊的板球系统轨迹控制研究A. 中国自动化学会控制理论专业委员会.第 25 届中国控制会议论文集（下册）C.中国自动化
13、学会控制理论专业委员会:,2006:5.9 沈洁. 摄像头消旋平台的设计D. 中北大学,2009.10 A. S. Nikitin, F. G. Zograf, A. M. Fen and S. I. Tregubov, “Specials of electrical wiring in Altium Designer & SolidWorks,“ Control and Communications (SIBCON), 2013 International Siberian Conference on, Krasnoyarsk, 2013, pp. 1-3.11 邓睿. AMOLED 显示屏
14、图像显示的研究D. 电子科技大学 201512 张光凯. 浅谈基于 Protel DXP 2004 环境下的电路仿真分析方法 J. 中国新通信,2012,20:92-93.13 王莉莉. Protel 99 SE 和 Multisim 软件在电路仿真中的应用比较J. 南宁职业技术学院学报,2010,04:97-100.14 刘静. 基于 ARM 嵌入式教学实验平台的设计与开发D. 电子科技大学 201415 王超炎. 基于 Atmega128L 的类壁虎机器人运动控制系统的实现D. 南京航空航天大学 200716 M. Y. Tarnini, “Fast and cheap stepper m
15、otor drive,“ 2015 International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA), Palermo,2015, pp. 689-693.doi: 10.1109/ICRERA.2015.741849917 王艳华. 基于 FPGA 控制的步进电机细分驱动器的设计与现实D.内蒙古大学,2013.18 魏娜. 浅析步进电机的选择与使用J. 科技与企业. 2013(02)19 董里扬. 浅谈步进电机的工作原理J. 科技信息. 2007(08) 20 吴芳琴. 基于单片机的简易计算器设计J
16、. 电子世界,2015,19:53-54.21 S. Pan, L. Shi, S. Guo, P. Guo, Y. He and R. Xiao, “A low-power SoC-based moving target detection system for amphibious spherical robots,“六、指导教师审核意见： 课题“平板球实验系统-硬件设计 ”需综合运用所学的专业知识，设计及实现工作具有一定工作量，同意开题。指导教师签字： 年 月 日七、系（教研室）评议意见： 系（教研室）主任签字： 年 月 日八、开题小组评审意见：课题“平板球实验系统-硬件设计 ”需综合运用所学专业知识，目标明确，进度及任务安排合理，同意开题。开题小组负责人签字： 年 月 日九、学院领导审核意见：1通过； 2完善后通过； 3未通过 学院领导签字： 年 月 日
