基于MSP430 單片機(jī)的光電跟蹤伺服系統(tǒng)的研究方案

研究設(shè)計(jì)中利用光敏感器件對(duì)特定光波長(zhǎng)范圍的光信號(hào)敏感原理，將四象限光電位置探測(cè)器與MSP430系列單片機(jī)相結(jié)合，根據(jù)四象限光電探測(cè)器輸出電壓與光斑位置的線性關(guān)系，通過數(shù)字PID閉環(huán)控制輸出電壓調(diào)節(jié)單片機(jī)輸出PWM 的占空比來實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)定的搜尋和小范圍跟蹤目標(biāo)。

0 引言

光電跟蹤系統(tǒng)是以光電器件(主要是激光器和光電探測(cè)器)為基石，將光學(xué)技術(shù)、電子/微電子技術(shù)和精密機(jī)械技術(shù)等融為一體，形成具有特定跟蹤功能的裝置。

目前國(guó)內(nèi)外較先進(jìn)的光電跟蹤系統(tǒng)多以激光測(cè)距儀、電視跟蹤儀和紅外跟蹤儀三位一體為核心構(gòu)成。采用機(jī)械方法實(shí)現(xiàn)跟蹤系統(tǒng)控制起來還不太靈敏。對(duì)于一個(gè)光電追蹤系統(tǒng)，一般通過目標(biāo)識(shí)別、位置信號(hào)檢測(cè)、位置信號(hào)處理、PID伺服控制計(jì)算、驅(qū)動(dòng)控制、位置反饋、目標(biāo)不間斷跟蹤，完成特定跟蹤任務(wù)。而與之配套的目標(biāo)識(shí)別檢測(cè)處理與PID 伺服控制實(shí)現(xiàn)是非常重要的部分，是保證整個(gè)系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。

為更好地實(shí)現(xiàn)精確的跟蹤伺服系統(tǒng)，本方案中使用MSP430 單片機(jī)完成對(duì)目標(biāo)定位跟蹤的PID 閉環(huán)控制，采用S066A 的國(guó)產(chǎn)四象限探測(cè)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別跟蹤定位。MSP430 單片機(jī)是美國(guó)TI(德州儀器)公司近年推出的16 位高性能混合信號(hào)處理器。由于它具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、集成度高、外部設(shè)備豐富、超低功耗等優(yōu)點(diǎn)，因此在許多領(lǐng)域內(nèi)都得到了廣泛的應(yīng)用。S066A國(guó)產(chǎn)四象限探測(cè)器光譜響應(yīng)范圍在400~1 100 nm,它的峰值波長(zhǎng)為940 nm,它具有較高的靈敏度和精確度，廣泛運(yùn)用于位置檢測(cè)，光學(xué)定位，距離探測(cè)等方面。

本研究方案的意義在于一方面對(duì)四象限探測(cè)器件以及新式低功耗高集成的微處理器的使用和推廣;另一方面探索一種新的機(jī)械對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及為低成本跟蹤系統(tǒng)的研制提供一種可行性方案。

1 總體設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖1 所示，主要由機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)兩部分組成。

機(jī)械部分中目標(biāo)實(shí)時(shí)位置信號(hào)發(fā)生源采用四象限探測(cè)器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，并輸出包含目標(biāo)位置信息的4 路電信號(hào)，電機(jī)傳動(dòng)跟蹤定位則是根據(jù)四路位置信號(hào)來驅(qū)動(dòng)探測(cè)器所在的定位面板對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索和鎖定。機(jī)械部分將探測(cè)和定位集為一體，目標(biāo)可見即可識(shí)，電機(jī)與定位面板的傳動(dòng)以角位移為變量進(jìn)行快速方便的傳動(dòng)。系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)部分中MSP430F169 片內(nèi)集成了多個(gè)功能模塊。

本設(shè)計(jì)利用其作為處理核心，其片內(nèi)A/D模塊實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。一方面Timer 對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行分頻從而提高時(shí)鐘頻率，使A/D獲得更快的采樣率或轉(zhuǎn)換速度，以保證A/D 轉(zhuǎn)換的精度;另一方面Timer的輸出端單元可作為PWM信號(hào)發(fā)生器根據(jù)片內(nèi)編程進(jìn)行PID 高速運(yùn)算處理所得結(jié)果產(chǎn)生PWM 輸出控制信號(hào)，設(shè)置簡(jiǎn)單方便簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)，進(jìn)而降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。接收前端的位置信號(hào)使用低偏置，高精密度放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，利用濾波器對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足更好的精度和定位要求。在控制信號(hào)輸出端采用現(xiàn)有的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片確保電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行?；诳傮w設(shè)計(jì)方案，本文將其劃分為4個(gè)不同但又彼此相互作用的4個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)該研究。具體包括硬件電路設(shè)計(jì)、機(jī)械模擬模型設(shè)計(jì)、PID算法設(shè)計(jì)以及軟件編程。

2 硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)原理

依據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，硬件電路主要由電源模塊、四象限信號(hào)放大處理模塊、系統(tǒng)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及相關(guān)輔助模塊構(gòu)成(見圖2)。

四象限探測(cè)器可探測(cè)波長(zhǎng)范圍(380~1 100 nm)，其原理是將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。但由于其輸出電流信號(hào)較小，四象限探測(cè)器的預(yù)處理模塊電路實(shí)現(xiàn)將電流信號(hào)經(jīng)放大和運(yùn)算處理，并將電流轉(zhuǎn)化為單片機(jī)A/D能夠采集到電壓范圍0~2.5 V.采樣的數(shù)字信號(hào)經(jīng)單片機(jī)內(nèi)的數(shù)字濾波和算法的運(yùn)算，進(jìn)而控制PWM波的占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。

2.2 機(jī)械模擬機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

模擬機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)靈感源于地動(dòng)儀的設(shè)計(jì)原理，采用兩個(gè)不同的軸來調(diào)節(jié)兩個(gè)不同但相關(guān)的平面實(shí)現(xiàn)四象限探測(cè)器的大范圍搜尋目標(biāo)的目的，模型圖如圖4所示。

其中下平板主要用于帶動(dòng)上平板實(shí)現(xiàn)大范圍搜尋目標(biāo)，上平板及其配置設(shè)備實(shí)現(xiàn)精確定位和跟蹤功能。研究中利用皮筋的彈性以及牽引絲線柔軟且形變相對(duì)較小的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)搜索平面的任意角度轉(zhuǎn)動(dòng)。并利用廢棄的中心筆管代替齒輪實(shí)現(xiàn)軸的小摩擦先轉(zhuǎn)動(dòng)。使得模型輕小便捷，制作簡(jiǎn)單方便，并且變廢為寶。

四象限放大處理電路如圖3所示。

3 軟件編程

軟件編程部分主要包括目標(biāo)的粗搜尋和目標(biāo)的精定位及跟蹤兩個(gè)部分。編程中載入自動(dòng)搜索程序搜尋目標(biāo)光源，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行三維維的空間片區(qū)性搜索，并載入判別搜到目標(biāo)程序，具體通過A/D采集到的電壓范圍判別是否搜到目標(biāo)。目標(biāo)一旦搜到，即載入坐標(biāo)運(yùn)算程序，計(jì)算當(dāng)前四象限面板與目標(biāo)位置的歸一化坐標(biāo)差值，進(jìn)而調(diào)用PID 算法程序，將PID 的調(diào)節(jié)量轉(zhuǎn)化為PWM 波的輸出持續(xù)時(shí)間和占空比，通過調(diào)用控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)程序?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行追蹤。通道誤差計(jì)算程序如圖5所示。

4 PID控制算法設(shè)計(jì)

PID 算法主要有位置式算法和增量式算法兩類。

一般增量式算法適用于控制精度要求不高的系統(tǒng)中，位置式適用于控制精度要求較高的控制系統(tǒng)中。

由于位置式控制算法會(huì)出現(xiàn)積分飽和問題。工程中通常采用的消除積分飽和問題的方法有限制PI調(diào)節(jié)器輸出的方法、積分分離法和欲限削弱積分法。由于限制PI調(diào)節(jié)器輸出法有可能在正常操作中不能消除系統(tǒng)的余差，而積分法可以在小偏差時(shí)利用積分作用消除偏差。因此本文選用位置式算法的改進(jìn)形式，即積分分離法。

采用的PID控制算法的公式如下式(1)所示：4 PID控制算法設(shè)計(jì)PID 算法主要有位置式算法和增量式算法兩類。

一般增量式算法適用于控制精度要求不高的系統(tǒng)中，位置式適用于控制精度要求較高的控制系統(tǒng)中[4].

由于位置式控制算法會(huì)出現(xiàn)積分飽和問題。工程中通常采用的消除積分飽和問題的方法有限制PI調(diào)節(jié)器輸出的方法、積分分離法和欲限削弱積分法。由于限制PI調(diào)節(jié)器輸出法有可能在正常操作中不能消除系統(tǒng)的余差，而積分法可以在小偏差時(shí)利用積分作用消除偏差。因此本文選用位置式算法的改進(jìn)形式，即積分分離法。

采用的PID控制算法的公式如下式(1)所示：

PID算法程序流程圖如圖6所示。研究中控制參數(shù)的確定采用先選定控制度，依據(jù)不同的控制度預(yù)設(shè)控制參數(shù)通過實(shí)驗(yàn)輸出波形，調(diào)整控制參數(shù)取值，從而達(dá)到研究期望的控制精度。

5 測(cè)試結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)中采用波長(zhǎng)為650 nm 激光作為目標(biāo)物，實(shí)驗(yàn)過程中先調(diào)用目標(biāo)搜尋程序，大范圍搜尋目標(biāo)，一旦探測(cè)到目標(biāo)，四象限探測(cè)器即會(huì)有較大電流輸出。通過磁性判斷轉(zhuǎn)入目標(biāo)精定位及追蹤程序。利用PID 算法配合調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使光斑移至四象限光敏面中心。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

本設(shè)計(jì)采用性能優(yōu)越的MSP430F169 作為控制核心。使用MSP430內(nèi)部的A/D模塊以及定時(shí)器模塊能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的多路數(shù)據(jù)采集。外圍電路的設(shè)計(jì)，利用RC濾波器，減小了噪聲對(duì)信號(hào)的影響，同時(shí)利用相位補(bǔ)償技術(shù)消除了自激干擾，使信號(hào)穩(wěn)定輸出。軟件編程部分采用位置式PID算式，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的門限值之后再加入積分運(yùn)算，這樣就能夠避免積分飽和問題，使跟蹤設(shè)備平緩地到達(dá)指定位置。

6 結(jié)語(yǔ)

本研究方案中采用性能優(yōu)越的MSP430F169 作為控制核心。通過四象限光電探測(cè)器將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)，經(jīng)過四象限信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)化成MSP430F169單片機(jī)ADC能夠采集到的電壓范圍，利用PID 算法及相關(guān)轉(zhuǎn)化控制兩路PWM 波輸出控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位跟蹤。通過使用激光器將定位和追蹤過程直觀顯示，便于直接觀察。使用MSP430內(nèi)部A/D 模塊和時(shí)鐘模塊能夠快速實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的PID 誤差信號(hào)與PWM波占空比的轉(zhuǎn)換。

該研究方案一方面對(duì)四象限探測(cè)器件以及新式低功耗高集成的微處理器的使用和推廣;另一方面探索一種新的機(jī)械對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及為低成本跟蹤系統(tǒng)的研制提供一種可行性方案。