点光源跟踪系统设计报告

2010年湖北赛区点光源跟踪系统设计报告

点光源跟踪系统（B题）

方案设计报告

摘要：本方案使用TI公司生产的MSP430F247为主控芯片，以TPS61062为核心设计了白光LED驱动电路，应用OPA2335作放大器制作了光源检测电路。本系统利用以激光笔为中心水平和垂直方向上对称分布的四个光敏三极管为探测端接收光源信号，再利用自适应环境算法、电机分段调速等多种算法实现激光束对白光光源的实时跟踪。本系统成功完成了基础部分和发挥部分的要求，最终定位误差可控制在1.5cm以内。 关键字: 减速步进电机控制 LED电流控制 自适应算法

一、 系统方案的选择

1. 系统测光部件的选择

方案一：以四个光敏电阻为探测端分别对称分布于激光笔水平和垂直方向上，中心处即激光束发光点。利用光敏电阻在不同光强下电阻值的变化与一个定值电阻串联来输出不同分压值进行判断，当光敏电阻正对光源时电压最大，偏离时电压值线性下降。

方案二：使用四个光敏三极管为测光部件采用方案一的布局方式和工作方式制作探测端，但因三极管有β倍的电流放大作用且光源偏离三极管正对方向时电压值下降的波形斜率更大，所以微小位移的幅值变化更明显。

考虑到二者光敏特性曲线的斜率和幅值变化范围等方面因素，故最终选择方案二。

2. 光源跟踪系统转动的控制方案选择

方案一：光源跟踪系统由双舵机构成“云台”式结构，机械结构简单、稳定，且舵机在两个方向上都可以做到180°自由的转动，转动速度通过PWM波的占空比控制，但舵机本身控制转角的精度可能使连续小角度定位时产生抖动。

方案二：水平方向利用带减速箱的步进电机控制，垂直方向上利用舵机控制转动。由于减速箱的使用相当于使步进电机的步长角度变得非常小，使在2米外的光源附近的激光束移动时很平滑，可以做到精确步长控制的连续定位，但缺点是减速箱和电机的完全啮合有一定难度，需要较高的机械加工精度。

综上所述，方案一控制方法最为简易，但控制稳定性可能不足；方案二控制精确度高。由于本次题目应优先考虑稳定性和准确性，故最终选择方案二。

3. 电机驱动方式的选择

方案一：L297+L298驱动电路。L297芯片能产生四相驱动信号，用以控制双极性两相电机或四相单极性步进电机。L298为H桥驱动器，主要进行功率放大。不足之处是L298芯片发热量大，若不注意散热及电路保护极容易烧毁，故不太稳定。

方案二：以L6208为驱动芯片。L6208是一个为驱动两相（两极）步进电机专门优化的芯片，平均输出电流可以达到2.8A，峰值5.6A，输入脉冲频率可达到100kHz,因此可满足各种转速要求严格的场合。

综上，方案二驱动功率大,稳定性好,实现方便,安全可靠。相比方案一有更大优势，故而选择该方案。

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4. 系统总体方案

经以上各部分方案论证比较后，本组决定以光敏三极管为光源信息接收器件制作接收端电路接收LED光源信号，输入到主控芯片MSP430中进行比较处理，从而直接输出PWM波控制舵机竖直转动，以及利用L6208为驱动芯片的驱动模块控制步进电机进行相应的水平转动实现激光笔光束的跟踪定位。电源使用12V开关电源供给。

二、 理论分析与计算

1.光敏三极管的输出控制

光敏三极管为电流输出型器件，且其输出电流受光照强度控制。恒压下，当光照强度一定时，其输出电流也是恒定的，此时，光敏三极管等效为一个电阻。经试验发现，使大功率LED的电流为300mA，将光敏三极管置于距光源两米处，正对光源，用万用表测得其阻值为28.9KΩ，为使光敏三极管有较大的响应范围，取电阻R1=28.9KΩ。为滤除100HZ的日光灯干扰，同时保证三极管的响应速度，取电容C1=4.7uF，此时，截止频率为

F0===2.34HZ

此频率下，用示波器观察发现，滤波效果较好，响应速度也可以满足要求。

光信号转化为电压信号后，如附录1中所示经运算放大器放大3倍后输出，增益计算公式如下：

G=1+

=1+=3

2.白光LED电流值的计算

该系统中，TPS61062的引脚ILED接输入电压Vin，此时，Vfb=250mV，而电阻R1=0.7Ω，故流经LED的电流为ILED=

流为350mA的要求。

==357mA，满足该系统流入LED的最大电

3.控制算法分析

3.1电机定位控制误差分析

由于步进电机的移动与停止是由单片机PWM波控制，而单片机处理光源信号是通过采样后计算进行的，所以当激光束定位到光源点时将信号输入单片机处理后输出给电机停止命令是需要时间的，这段时间内电机仍处于上一个工作状态（即以之前设定的速度转动），故而电机停止后会出现一段定位误差 S， S的大小取决于单片机采样频率大小，所以要

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使定位精度上升，需要考虑采样频率的设定。当单片机取样频率f取值为5KHz，程序设定的采样次数n为50次时，实际采样频率为100Hz，而设步进电机的步进速率为m步/s，本组使用的步进电机全步步长为1.8°，再由几何关系可计算得投影在LED灯后的圆盘上的线速度v。设电机距离光源所在圆盘距离为L，v满足： v

本组设定的速率为100步/s，所以代入方程可得：红光光点的移动速度为0.011m/s，再除以实际采样频率即可得定位误差 S约为2.7mm。可见该误差并不算大，若要减小该误差可以适当降低采样频率。本组在程序控制中加入了2.7mm的补偿值，抵消了该误差。

3.2离散型PI控制的设计

为使激光笔正对光源，利用左右两端光敏三极管A、B的幅值之差x(t)=V（A）-V(B)逐次逼近并达到校准时的给定值 x,当程序判定x（t）= x时即说明激光束已对准LED光源。但由实际测验可知光敏三极管受到环境光的影响以及电路本身造成的各类噪声影响使得三极管输出电平会不断跳变，为了提高采样值的准确性，程序设定为每采样50次进行一次求平均值处理，将其输出作为一个有效采样值x（t），再使用PI算法将校准值与实际值的偏差量作为输入量，通过不断修正偏差量的值使输出值快速地逼近校准值。PI算法的一般公式如下：y(t)=

(t)dt]+

式中比例K值设为1，y(t)为处理后输出量；x(t)为偏差值输入量；T为积分时间常数；

为PI调节前的输出量。通过积分防止了干扰信号造成的突变量的影响，但由于x（t）的每次取值都有一个采样时间间隔使该函数较离散，所以将上式修改为：

y(t)=

(t)dt]+

其中s= t（输入比较总量）-n（代表跳变较大的突变量）

如此即可做到过滤突变量影响的作用，该控制方法可称为离散型PI控制。

三、 硬件电路设计

1.光照检测模块

光照检测是该系统的关键模块，其检测值的精度、速度、稳定性直接关系到跟踪质量。经分析论证，选择光敏三极管检测光照，将亮度转化为电压信号，并经运算放大器放大后输出给单片机，进行AD采样后再计算处理。运算放大器用了两片TI公司的芯片OPA2335，该芯片性能卓越：最大失调电压仅5uV，零温漂，带宽仅为2MHZ，非常适合该电路。

当光源支移动时，激光笔需改变水平位置和竖直位置，故在激光笔的竖直和水平方向等距处布置两个传感器。这样布局，可使水平控制欲竖直控制分离，且两对传感器完全解耦，算法上只需比较传感器的输入值即可进行精确定位。同时，为减小外界杂光干扰，用KT板对传感器进行遮光处理。该模块电路设计见附录1。

2.白光LED控制模块

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该模块以TPS61062为核心，驱动1W的白光LED。由于通常情况下，TPS61062的输出电流仅为0-20mA，远无法达到该系统要求的300mA的正常工作电流，故在TPS61062的输出端接一个三极管进行扩流，以实现系统功能。

其原理图见附录2。

3.步进电机驱动模块

步进电机驱动电路见附录3：L6208为MCU共提供了6个引脚实现对步进电机的时钟、方向、步进、使能、速率等参数的控制，单片机输入信号经L6208处理后从5、15、22、32端口输出脉冲信号对应步进电机的A、、B、两个相位的引脚从而控制电机转动。

4.其他基础模块

其他应用到的基础模块包括电源DC-DC模块、舵机保护电路、声光报警电路。DC-DC模块将12V开关电源电压值转换输出从而为系统提供了5V电源；舵机保护电路采用光耦隔离的方法，用TLP521将单片机和舵机隔离开，从而保护了单片机；声光报警电路由一个LED和蜂鸣器组成，由单片机I/O口直接控制。其电路图可查看附录。

四、 软件程序设计

1.控制流程图

2.控制算法

2．1总控制算法

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因采用逐次逼近的方法时发现系统比较容易进入死区，稳定性较差，故采用同时判断A、B和C、D校准后的电压差，并判断电机和舵机的运动状态的方法。这样能有效地避免系统进入“死区”，并能加快光源的定位速度。

2．2自适应环境算法

由于环境的不同和同种器件性能和参数的不同，光电检测模块的对称性受到影响，所以不能简单地用采样电压相同作为系统停止运动的条件，而应根据环境的不同，选择不同的校正系数。本系统先通过按键调零，采用多次采样求平均的方法求得此处A、B、C、D四点的电压值，再分别用kx和ky两个校正系数，校正A和B、C和D的误差，并反馈到控制系统中，可以在不改变电路参数的情况下适应不同的环境。

2．3电机分段调速算法

程序对步进电机采用分段控制的方法，首先单片机计算左右两个光敏三极管输入的幅值信号VA和VB，若二者差值大于变量dv1,则控制电机全速运行，若差值在dv1与dv2之间，则控制电机半速运行，直至差值小于dv2时电机停止。如此即可使电机移动速度上升且不影响控制精度。

五、 测试方案与测试结果

1.测试环境及仪器

测试环境：正上方有日光灯照射的房间内，四面无阳光射入的干扰，整体亮度较暗的环境。

测试仪器：数字万用表一个、数字示波器一台、1.1米高的支架一个，在高度一米处贴有直径70cm的黑色圆板一块，卷尺一把。

2.测试步骤方案

按照题意分别对以下六项指标进行测量：

（1） 通过矩阵按键现场设置参数的方法使激光笔尽快指向点光源，记录相应操作时间。 （2） 将激光笔光点调偏离点光源中心35cm时，激光笔能够尽快指向点光源，测量并记

录指向光源所需时间及偏差量。

（3） 在激光笔基本对准光源时，以A为圆心，将光源支架沿着圆周缓慢（10~15秒内）

平稳移动20º（约60cm），激光笔能够连续跟踪指向LED点光源；测量完成操作时间及跟踪精度。

（4） 在激光笔基本对准光源时，将光源支架沿着直线LM平稳缓慢（15秒内）移动60cm，

激光笔能够连续跟踪指向光源，记录操作时间及跟踪精度。 （5） 将光源支架旋转一个角度β约15°，激光笔能迅速指向光源。测量所需时间及精度。 （6） 光源跟踪系统检测光源具有自适应性，改变点光源的亮度时（LED驱动电流变化±

50mA），能够实现（4）的内容。

3.测试结果及分析

测试方法：本小组一人利用矩阵式按键负责选择单片机工作状态；一人负责使用秒表

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计时，最小刻度取0.1s；另一人站在直径70cm的黑色圆盘后手动控制支架移动，同时利用一端固定在LED所在位置对应的圆盘背面的直尺读取误差值。由于测量时光束移动较快，故而跟踪过程的最大偏差值是根据直尺所示位置估测的。

测试结果：见表一数据

表一：最终测试数据

注：最后一项测试第一次是向上移动，第二次是向下移动。

六、总结分析：

由以上测试结果可知：

（1）该系统对于静止点光源定位的精度都较为准确，可见自适应、离散型PI等一系列算法减小误差的作用明显,有效地通过算法滤除了光敏三极管输入的干扰信号；又由测试结果可看出光束归位的时间都在4s以内，可见步进电机分段调速的算法明显在未改变精度的前提下提升了点光源跟踪速度。

（2）经过数天调试，本组发现要较好的完成本次赛题任务，一个稳定且精度高的机械结构是前提，只有保证了步进电机和舵机移动的平稳才能使激光束移动轨迹平滑准确；只有尽可能使竖直和水平方向的光敏三极管分布不偏斜，才能减小不必要的采样误差。在此前提下，要使定位精度足够高，控制算法是重中之重，决不能简单的直接利用采样信号比较，要充分利用算法对信号采集值进行均值处理，PI算法过滤等方式并合理比较才能有效滤除干扰。

（3）通过激光束移动轨迹发现，当光源直线移动时，激光束会先向下或向上移动一段距离，然后再水平跟踪光源，最终水平位置到达后竖直方向才会重新归位。虽然最终仍能让激光束对准点光源，但移动距离却绕了远路而影响了速度。而且经反复测试发现起始时

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移动速度越快，光束上移（下移）的距离越大。经分析，导致该现象的原因可能是竖直方向的传感器放置有倾斜，从而导致水平移动时上下两个传感器值有变化而误判使舵机转动，又由于舵机转动角度控制精度有限，所以使激光束纵向偏移较大。

若要减小该类误差，除了使机械结构精度上升以外，算法上也应该进行适当处理，比如竖直方向进行信号差值比较抑制或反应延迟等。但这样又有可能影响其他操作，所以程序虽能较好完成赛题任务，仍有很多需要提升完善之处。

附录：

1、光照检测模块原理图：

2、白光LED控制模块

3、步进电机驱动电路

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4、舵机驱动模块

5、声光报警模块

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/lckj.html