基于安卓手機(jī)的無線隨動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

余麗杰，孫玉國，焦金輝，勾 燦

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

基于安卓手機(jī)的無線隨動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

余麗杰，孫玉國，焦金輝，勾 燦

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

無線隨動(dòng)控制在虛擬現(xiàn)實(shí)，運(yùn)動(dòng)捕獲等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。設(shè)計(jì)了一種基于安卓手機(jī)的角位置無線隨動(dòng)控制系統(tǒng)。采用安卓手機(jī)內(nèi)部的微機(jī)電(MEMS)傳感器感知物體旋轉(zhuǎn)的角速度并作為該系統(tǒng)的控制指令，藍(lán)牙模塊HC-06作為無線通信媒介，跟隨端利用STC125A60S單片機(jī)結(jié)合積分分離式的PID算法控制兩相混合式步進(jìn)電機(jī)做跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該隨動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，角位置跟隨誤差<0.5°。

隨動(dòng)控制；MEMS傳感器；單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；PI

在模擬駕駛訓(xùn)練、虛擬現(xiàn)實(shí)、運(yùn)動(dòng)捕獲以及智能家居等領(lǐng)域，很多場(chǎng)景下需要實(shí)時(shí)獲取控制手柄的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與轉(zhuǎn)動(dòng)角速度信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)模擬平臺(tái)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。這是一個(gè)典型的隨動(dòng)控制系統(tǒng)[1-2]，若采用傳統(tǒng)的自整角方案，則控制系統(tǒng)體積較大、成本較高，并在諸多場(chǎng)景下，有必要利用無線傳輸?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)物體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的跟隨控制[3]。

考慮到某些場(chǎng)合對(duì)跟隨精度及控制距離沒有過高的要求，本文提出了一種基于安卓手機(jī)及藍(lán)牙技術(shù)的無線隨動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[4-6]。安卓手機(jī)作為控制端，通過其自帶的MEMS傳感器實(shí)時(shí)獲取物體的旋轉(zhuǎn)角度與旋轉(zhuǎn)角速度，再經(jīng)手機(jī)自帶的藍(lán)牙模塊將同步控制指令發(fā)送到跟隨端。跟隨端采用傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)可靠、成本較低，并將步進(jìn)電機(jī)的輸出軸與一個(gè)絕對(duì)式光電編碼器的碼盤同軸連接，用以檢測(cè)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的角速度及角位置。本文給出了相應(yīng)的控制系統(tǒng)架構(gòu)，以及軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。

1 控制系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，該無線隨動(dòng)控制系統(tǒng)由控制端和跟隨端兩部分組成?？刂贫藶榘沧恐悄苁謾C(jī)，負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn)角度與角速度信號(hào)的采集與無線發(fā)射。跟隨端由HC-06藍(lán)牙模塊[7-8]，STC12單片機(jī)，兩相混合式步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器，絕對(duì)式光電編碼器構(gòu)成，負(fù)責(zé)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向并獲取其角位置信息[9]。

系統(tǒng)具備上電自檢功能，當(dāng)應(yīng)用程序啟動(dòng)手機(jī)藍(lán)牙與HC-06建立連接時(shí)，手機(jī)當(dāng)前方位角度值會(huì)被發(fā)送至單片機(jī)，單片機(jī)讀取與步進(jìn)電機(jī)同軸的絕對(duì)式光電編碼器位置信息后控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)至相同方位。

圖1 隨動(dòng)控制系統(tǒng)框圖

2 角速度信息的獲取

Android系統(tǒng)提供了對(duì)傳感器的支持，如果手機(jī)設(shè)備的硬件提供了這些傳感器，Android應(yīng)用可通過傳感器來獲取設(shè)備的外界條件，包括手機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)前擺放方向等[10]。Android系統(tǒng)提供了驅(qū)動(dòng)程序去管理這些傳感器硬件，當(dāng)傳感器硬件感知到外部環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，Android系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理這些傳感器數(shù)據(jù)[11]。本設(shè)計(jì)中主要應(yīng)用到了Android手機(jī)內(nèi)的方向傳感器和陀螺儀傳感器，分別獲取移動(dòng)設(shè)備在二維空間的旋轉(zhuǎn)角度值和旋轉(zhuǎn)角速度值。在Android開發(fā)時(shí)，兩種傳感器數(shù)據(jù)的獲取方法相同。本設(shè)計(jì)中獲取角速度信息的關(guān)鍵代碼如下：

SensorManager=(SensorManager)get SystemService(SENSOR_SERVICE);∥獲得傳感器管理服務(wù)

Sensor sensor_gyr=sensorManager.Get DefaultSensor(Sensor.TYPE_GYRO SCOPE);

sensorManager.registerListener(mySensorEventListener,sensor_gyr,SensorManager.SENSOR_DELAY_ NORMAL); ∥注冊(cè)傳感器的監(jiān)聽器

public void onSensorChanged (SensorEve nt event){

if (event.sensor.getType()==Sensor.TYPE_

GYROSCOPE) {

gsensor[0]=event.values[0];

gsensor[1]=event.values[1];

gsensor[2]=event.values[2];

}∥監(jiān)聽傳感器各種事件

protected void onPause(){

super.onPause();

sensorManager.unregisterListener(this);

}∥解除注冊(cè)傳感器監(jiān)聽器

3 跟隨端控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，串口藍(lán)牙模塊HC-06的TXD，RXD管腳分別連接到STC12單片機(jī)的P3.0，P3.1管腳，用于實(shí)現(xiàn)控制端與隨動(dòng)端的數(shù)據(jù)通信。單片機(jī)的P2.0，P2.1與P2.2管腳分別與M415B步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的PUL, DIR，ENA管腳連接，分別為脈沖信號(hào)，方向信號(hào)與使能信號(hào)控制端。通過改變輸出脈沖頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，改變輸入DIR的電平信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。另外，為了實(shí)時(shí)檢測(cè)并反饋步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角位置及角速度，在電機(jī)輸出軸上安裝了10 bit、1 024線的絕對(duì)式光電編碼器[12]，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖2 跟隨端控制系統(tǒng)連線

3.2 軟件設(shè)計(jì)

首先，通過配置STC12內(nèi)部的串行控制寄存器SCON和波特率選擇特殊功能寄存器PCON來設(shè)置串口工作模式和波特率，使之與藍(lán)牙模塊相匹配從而實(shí)現(xiàn)兩者正常通信。單片機(jī)每次從絕對(duì)式編碼器讀取的位置都是唯一的，單位時(shí)間內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度變化量就是軸的角速度

ω=2π×(NNUM-LLNUM)/1 024×T

(1)

式中，ω為角速度；NNUM為本次讀取的位置值；LNUM為上次讀取的位置值；T為讀取周期。

本部分設(shè)計(jì)的核心在于步進(jìn)電機(jī)增量式PID調(diào)速算法的實(shí)現(xiàn)。增量式PID離散化公式為

(2)

Δuk=uk-uk-1=Kp(ek-ek-1)+Kiek+Kd(ek-2ek-1+ek-2)

(3)

uk=uk-1+Δukuk-1Kp(ek-ek-1)+Kiek+Kd(ek-2ek-1+ek-2)

(4)

PID算法中P、I、D三者并不是都必須出現(xiàn)的，本設(shè)計(jì)只使用PI控制就能滿足要求。在一般的 PID 控制算法過程中，當(dāng)輸入量發(fā)生大幅度的改變時(shí)，由此形成的較大偏差將不能很快的被消除，且在積分項(xiàng)的作用下，會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)，甚至形成震蕩。此時(shí)，可以采用積分分離的方式處理，在被控量的調(diào)節(jié)初期，將積分項(xiàng)取消，當(dāng)被控量接近給定量時(shí)，加上積分項(xiàng)的作用，由此可將上式的控制公式改為：此可將上式的控制公式改為

Δuk=uk-uk-1=Kp(ek-ek-1)+NKiek+Kd(ek-2ek-1+ek-2)

(5)

在運(yùn)用PID算法控制時(shí)，需要一個(gè)精確的控制周期?？衫每刂破鞯亩〞r(shí)器功能產(chǎn)生一個(gè)周期性的中斷，在周期性中斷中進(jìn)行PID算法的運(yùn)算和對(duì)電機(jī)的控制輸出。在中斷程序中首先要讀取電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)速，然后利用PID算法計(jì)算控制器的輸出量，由于是利用輸出脈沖頻率調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，所以PID算法計(jì)算數(shù)據(jù)應(yīng)該是脈沖的頻率。定時(shí)器周期性中斷程序流程圖如圖4所示。

圖3 控制算法流程圖

圖4 定時(shí)器周期性中斷程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

安卓手機(jī)控制界面如圖5所示，該應(yīng)用程序的主要功能為實(shí)時(shí)顯示手機(jī)運(yùn)動(dòng)的角度信息及步進(jìn)電機(jī)跟隨的角度信息，并可感應(yīng)手機(jī)運(yùn)動(dòng)的方向，相應(yīng)的按鈕顏色變紅。

打開安卓應(yīng)用程序與藍(lán)牙模塊配對(duì)連接，并將手機(jī)水平放置到JZJ-1準(zhǔn)直儀轉(zhuǎn)臺(tái)上，以不同的速度來回轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)到一定位置，讀取跟隨端步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的實(shí)際角度值。重復(fù)以上步驟，每組測(cè)試進(jìn)行5次、取平均值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，該系統(tǒng)的跟隨誤差<0.5°。

圖5 安卓應(yīng)用程序界面

轉(zhuǎn)動(dòng)角度/(°)跟隨角度/(°)誤差/(°)360359.52-0.48270270.350.35180179.78-0.229090.180.183030.370.37-30-30.19-0.19-90-89.740.25-180-180.15-0.15-270-270.40-0.40-360-360.26-0.26

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種以安卓手機(jī)控制的無線隨動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于Java編程，自主開發(fā)了安卓應(yīng)用程序，可實(shí)時(shí)獲取手機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的角速度值及角度值，并可通過藍(lán)牙與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)；構(gòu)建了隨動(dòng)端閉環(huán)控制，采用積分分離的增量式PI控制算法，最終實(shí)現(xiàn)無線控制步進(jìn)電機(jī)的跟隨運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該隨動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，跟隨誤差<0.5°。與傳統(tǒng)的隨動(dòng)控制系統(tǒng)相比，該設(shè)計(jì)更加智能便捷，有更廣泛的應(yīng)用。在今后的工作中將對(duì)跟隨系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性做更深入的研究。

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Design of Wireless Servo-control System Based on Android Phone

YU Lijie，SUN Yuguo，JIAO Jinhui，GOU Can

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Wireless servo-control has important application in fields of virtual reality, motion capture and so on. Design a wireless servo-control system of angular velocity based on Android phone. Use the micro-electro-mechanical sensor inside android phone to sense object’s rotating angular velocity that as the control signal, bluetooth module HC-06 as the wireless communication medium, and STC125A60S SCM to control following rotation of the two-phase hybrid stepping motor in follow-up end with the PID algorithm of integral separation. The experimental results show that this servo-control system works stably, and the angular position following error is less than 0.5°.

servo-control; MEMS sensor; SCM; stepping motor; PID

2016- 05- 05

上海市大學(xué)生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(SH2014042)

余麗杰(1993-)，女，碩士研究生。研究方向：精密機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.04.040

TN926+.22;TP212

A

1007-7820(2017)04-159-04