基于磁场检测的板球控制系统

甘富升 黄传容 西南科技大学

1. 背景技术

控制理论的研究随着科学技术的飞速向前发展，当今以稳定、精确快速跟踪为主要方向的位置伺服系统，在非常多的领域得到了特别广泛的应用，现在各种交叉领域的相互联系与渗透，都对控制系统与控制理论的日益创新、蓬勃发展起到了至关重要的关系。目前通过模糊控制、系统辨识与自适应控制、神经网络控制等等新的方法实现了解决目标轨迹精确跟踪等复杂问题的方法，对机器人控制、航空航天控制以及军用机械相关起到了重要的作用。

板球系统作为传统的杆球系统的扩展，是一种典型的不稳定、强耦合、多输入输出(MIMO)的非线性控制系统，在板球系统的控制研究中也涉及了许多关于定点控制、稳定控制、轨迹跟踪、路径规划及绕障控制等问题，其涉及面广泛且有许多问题待以研究和解决，它是控制理论研究的一个经典对象，存在着各种各样的挑战与问题，故对板球控制系统的相关研究具有很重要的意义。

2. 系统概述

针对现有技术中的上述不足，提供的一种基于磁场检测的板球控制系统，解决了金属小球在平衡板上可以从任意起点到达任意终点的问题。

为了达到以上目的，采用的技术方案为：

本方案提供一种基于磁场检测的板球控制系统，包括机械子系统和控制子系统，其中，所述机械子系统包括金属小球、底座、平衡板、万向节、舵机和支架，所述舵机安装在所述底座上，并通过所述万向节与所述平衡板连接，所述平衡板通过所述万向节安装在所述支架上，所述金属小球位于所述平衡板上，所述控制子系统包括电源模块、控制器、磁场定位装置、姿态传感器、按键模块和显示模块，所述控制器的信号输入端连接至所述按键模块，所述控制器的信号输出端连接至所述舵机的信号输入端，所述磁场定位装置的信号输出端分别连接至所述显示模块的信号输入端和所述控制器，所述姿态传感器的输出端与所述控制器连接，所述电源模块分别与所述控制器、磁场定位装置、姿态传感器、按键模块和显示模块电性连接，所述控制器、显示模块和电源模块均安装在所述底座上，所述磁场定位装置和姿态传感器均安装在所述平衡板上。

作为优选，所述控制器为STM32F103ZET6单片机。

作为优选，所述姿态传感器为MPU6050电子陀螺仪姿态传感器。

进一步地，所述姿态传感器的输出端通过串口与所述控制器连接。

再进一步地，所述磁场定位装置为平面铜线圈，且附于所述平衡板上。

再进一步地，所述电源模块为直流稳压电源模块。

再进一步地，所述显示模块为3.2寸USART串口屏。

3. 有益效果

（1）利用磁场检测和控制电路使平衡板按照一定角度摆动，可实现金属小球在平衡板上完成各种指定动作，且数据处理快，精度高，功耗低，稳定性好；

（2）通过磁场定位装置确定金属小球在平衡板上的位置，通过按键模块给控制器发出指令，然后通过姿态传感器采集平衡板姿态参数，计算得到平衡板的倾斜角，最后通过PID调节对舵机实现闭环控制，从而实现金属小球在平衡板上可以从任意起点到达任意终点，本实用新型结构简单，体积小巧；

（3）采用单片机STM32F103ZET6作为控制器，不仅数据处理快，而且精度高，有效地实现了快速精准地控制；

（4）采用MPU6050姿态传感器，不仅精度高、稳定性好、性能高、功耗低，而且还便于准确计算平衡板角度参数；

（5）采用直流稳压电源模块，减小了纹波，保证了电压的稳定，进一步提高了稳定性；

（6）磁场定位装置采用平面铜线圈，且整个铜线圈附在平衡板上，有效地保证金属小球在铜线圈的范围内，从而使识别位置准确，进一步提高了精度。

4. 实施方式

提供了一种基于磁场检测的板球控制系统，该系统包括机械子系统和控制子系统，其中，所述机械子系统包括金属小球1、底座2、平衡板3、万向节4、舵机5和支架6，所述舵机5安装在所述底座2上，并通过所述万向节4与所述平衡板3连接，所述平衡板3通过所述万向节4安装在所述支架6上，所述金属小球1位于所述平衡板3上，舵机5通过带动万向节4的运动进而带动平衡板3在一定空间内摆动，从而使平衡板3上的金属小球1移动到相应位置；控制子系统包括用于输出控制信号来控制舵机5的采用型号为STM32F103ZET6单片机的控制器8、用于确定金属小球1位置的磁场定位装置9、用于计算平衡板3角度信息的采用型号为MPU6050电子陀螺仪的姿态传感器10、用于显示金属小球1在平衡板3上的位置信息的显示模块12、用于发布执行操作的按键模块11以及为上述各功能模块提供工作电压的电源模块7，所述控制器8的信号输入端连接至所述按键模块11，所述控制器8的信号输出端连接至所述舵机5的信号输入端，所述磁场定位装置9的信号输出端分别连接至所述显示模块12的信号输入端和所述控制器8，所述姿态传感器10的输出端通过串口与所述控制器8连接，所述控制器8、舵机5、显示模块12和电源模块11安装在底座2上，磁场定位装置9和姿态传感器10安装在平衡板上3。在平衡板3上，保证金属小球1在铜线圈的范围内，从而使识别位置准确，显示模块12采用3.2寸USART串口屏，与磁场定位装置9相连，实时输出金属小球1在平衡板3上的位置，平衡板3采用玻璃纤维，使用激光切割，保证平衡板3的平整性，姿态传感器10安装在平衡板3表面，通过姿态解算器，配合动态卡尔曼滤波算法，在动态环境下输出平衡板3的当前姿态信息，并将相关信息通过串口传输至控制器8，控制器8将从姿态传感器10接收到的姿态信息进行处理，通过PID调节使舵机5转动，从而实现对舵机5的闭环控制，按键模块11给控制器8发送模式指令，来控制金属小球1的运动模式，舵机5通过万向节4与平衡板3相连接，舵机5在控制器8的驱动下带动平衡板3摆动，从而使金属小球1滚动到特定的位置上。具体见图一。

图一

5. 总结

控制器8采用型号为STM32F103ZET6的单片机作为控制芯片，并在控制电路板上设有与控制芯片配置的外围电路，其分别与采用型号为MPU6050电子陀螺仪的姿态传感器10及步进电机驱动电路13连接，其电路结构属于现有技术，本领域技术人员基于电子电路的基本常识和本实施例阐述的内容可自行配置。