基于MSP430 單片機的光電跟蹤伺服系統(tǒng)的研究方案

研究設計中利用光敏感器件對特定光波長范圍的光信號敏感原理，將四象限光電位置探測器與MSP430系列單片機相結(jié)合，根據(jù)四象限光電探測器輸出電壓與光斑位置的線性關系，通過數(shù)字PID閉環(huán)控制輸出電壓調(diào)節(jié)單片機輸出PWM 的占空比來實現(xiàn)精確穩(wěn)定的搜尋和小范圍跟蹤目標。

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器)為基石，將光學技術、電子/微電子技術和精密機械技術等融為一體，形成具有特定跟蹤功能的裝置。

目前國內(nèi)外較先進的光電跟蹤系統(tǒng)多以激光測距儀、電視跟蹤儀和紅外跟蹤儀三位一體為核心構(gòu)成。采用機械方法實現(xiàn)跟蹤系統(tǒng)控制起來還不太靈敏。對于一個光電追蹤系統(tǒng)，一般通過目標識別、位置信號檢測、位置信號處理、PID伺服控制計算、驅(qū)動控制、位置反饋、目標不間斷跟蹤，完成特定跟蹤任務。而與之配套的目標識別檢測處理與PID 伺服控制實現(xiàn)是非常重要的部分，是保證整個系統(tǒng)能否正常工作的關鍵。

為更好地實現(xiàn)精確的跟蹤伺服系統(tǒng)，本方案中使用MSP430 單片機完成對目標定位跟蹤的PID 閉環(huán)控制，采用S066A 的國產(chǎn)四象限探測對目標進行識別跟蹤定位。MSP430 單片機是美國TI(德州儀器)公司近年推出的16 位高性能混合信號處理器。由于它具有處理能力強、運算速度快、集成度高、外部設備豐富、超低功耗等優(yōu)點，因此在許多領域內(nèi)都得到了廣泛的應用。S066A國產(chǎn)四象限探測器光譜響應范圍在400~1 100 nm,它的峰值波長為940 nm,它具有較高的靈敏度和精確度，廣泛運用于位置檢測，光學定位，距離探測等方面。

本研究方案的意義在于一方面對四象限探測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械對準結(jié)構(gòu)設計以及為低成本跟蹤系統(tǒng)的研制提供一種可行性方案。

1 總體設計方案

整個系統(tǒng)的設計如圖1 所示，主要由機械傳動設計和系統(tǒng)電路設計兩部分組成。

機械部分中目標實時位置信號發(fā)生源采用四象限探測器對目標進行定位，并輸出包含目標位置信息的4 路電信號，電機傳動跟蹤定位則是根據(jù)四路位置信號來驅(qū)動探測器所在的定位面板對目標進行搜索和鎖定。機械部分將探測和定位集為一體，目標可見即可識，電機與定位面板的傳動以角位移為變量進行快速方便的傳動。系統(tǒng)電路設計部分中MSP430F169 片內(nèi)集成了多個功能模塊。

本設計利用其作為處理核心，其片內(nèi)A/D模塊實現(xiàn)模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。一方面Timer 對時鐘進行分頻從而提高時鐘頻率，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信號發(fā)生器根據(jù)片內(nèi)編程進行PID 高速運算處理所得結(jié)果產(chǎn)生PWM 輸出控制信號，設置簡單方便簡化了電路的設計，進而降低了系統(tǒng)設計的復雜性。接收前端的位置信號使用低偏置，高精密度放大器對信號進行調(diào)整，利用濾波器對位置信號進行優(yōu)化，以滿足更好的精度和定位要求。在控制信號輸出端采用現(xiàn)有的電機驅(qū)動芯片確保電機的穩(wěn)定運行?；诳傮w設計方案，本文將其劃分為4個不同但又彼此相互作用的4個方面來實現(xiàn)該研究。具體包括硬件電路設計、機械模擬模型設計、PID算法設計以及軟件編程。

2 硬件模塊設計

2.1 硬件電路設計原理

依據(jù)總體設計方案，硬件電路主要由電源模塊、四象限信號放大處理模塊、系統(tǒng)控制模塊、電機驅(qū)動模塊以及相關輔助模塊構(gòu)成(見圖2)。

四象限探測器可探測波長范圍(380~1 100 nm)，其原理是將光照強度轉(zhuǎn)換為電流信號。但由于其輸出電流信號較小，四象限探測器的預處理模塊電路實現(xiàn)將電流信號經(jīng)放大和運算處理，并將電流轉(zhuǎn)化為單片機A/D能夠采集到電壓范圍0~2.5 V.采樣的數(shù)字信號經(jīng)單片機內(nèi)的數(shù)字濾波和算法的運算，進而控制PWM波的占空比來調(diào)節(jié)電機的速度。

2.2 機械模擬機構(gòu)實驗設計原理

模擬機構(gòu)設計靈感源于地動儀的設計原理，采用兩個不同的軸來調(diào)節(jié)兩個不同但相關的平面實現(xiàn)四象限探測器的大范圍搜尋目標的目的，模型圖如圖4所示。

其中下平板主要用于帶動上平板實現(xiàn)大范圍搜尋目標，上平板及其配置設備實現(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較小的優(yōu)勢，實現(xiàn)搜索平面的任意角度轉(zhuǎn)動。并利用廢棄的中心筆管代替齒輪實現(xiàn)軸的小摩擦先轉(zhuǎn)動。使得模型輕小便捷，制作簡單方便，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的粗搜尋和目標的精定位及跟蹤兩個部分。編程中載入自動搜索程序搜尋目標光源，對目標進行三維維的空間片區(qū)性搜索，并載入判別搜到目標程序，具體通過A/D采集到的電壓范圍判別是否搜到目標。目標一旦搜到，即載入坐標運算程序，計算當前四象限面板與目標位置的歸一化坐標差值，進而調(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)時間和占空比，通過調(diào)用控制電機轉(zhuǎn)動圈數(shù)程序?qū)δ繕诉M行追蹤。通道誤差計算程序如圖5所示。

4 PID控制算法設計

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利用積分作用消除偏差。因此本文選用位置式算法的改進形式，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控制算法設計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利用積分作用消除偏差。因此本文選用位置式算法的改進形式，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)不同的控制度預設控制參數(shù)通過實驗輸出波形，調(diào)整控制參數(shù)取值，從而達到研究期望的控制精度。

5 測試結(jié)果及分析

實驗中采用波長為650 nm 激光作為目標物，實驗過程中先調(diào)用目標搜尋程序，大范圍搜尋目標，一旦探測到目標，四象限探測器即會有較大電流輸出。通過磁性判斷轉(zhuǎn)入目標精定位及追蹤程序。利用PID 算法配合調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)動，使光斑移至四象限光敏面中心。實驗結(jié)果如圖7所示。

本設計采用性能優(yōu)越的MSP430F169 作為控制核心。使用MSP430內(nèi)部的A/D模塊以及定時器模塊能夠?qū)崿F(xiàn)精準的多路數(shù)據(jù)采集。外圍電路的設計，利用RC濾波器，減小了噪聲對信號的影響，同時利用相位補償技術消除了自激干擾，使信號穩(wěn)定輸出。軟件編程部分采用位置式PID算式，當達到設定的門限值之后再加入積分運算，這樣就能夠避免積分飽和問題，使跟蹤設備平緩地到達指定位置。

6 結(jié)語

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器將光照強度轉(zhuǎn)化成電流信號，經(jīng)過四象限信號處理電路轉(zhuǎn)化成MSP430F169單片機ADC能夠采集到的電壓范圍，利用PID 算法及相關轉(zhuǎn)化控制兩路PWM 波輸出控制電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)目標定位跟蹤。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 模塊和時鐘模塊能夠快速實現(xiàn)精準的PID 誤差信號與PWM波占空比的轉(zhuǎn)換。

該研究方案一方面對四象限探測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械對準結(jié)構(gòu)設計以及為低成本跟蹤系統(tǒng)的研制提供一種可行性方案。