基于视觉技术的双电机协同控制装置设计文献综述

 2022-11-26 12:11
  1. 研究背景

随着近年来工业的发展,对各种机械性能和产品质量要求的逐渐提高,单单针对一台电机的控制在某些场合以及不能满足现代高科技发展的要求,而需要人们去控制多台电机,让其更好地协调运行[1]。伺服电机作为执行原件,是机电一体化控制中的关键设备之一,广泛应用在各种自动化控制系统中,自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统,这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到20世纪80年代中后期,各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交流系统,而位置伺服系统在机电设备中地位显著,具有高性能的位置伺服系统能够实现快速、高效、灵活、稳定及准确的驱动方式[2]。随着现代控制系统提出的可靠性高、成本低、工作寿命长和低量等要求,传统的伺服系统已无法满足当今自动控制系统的发展需求。采取基于视觉的数字式位置伺服系统也成为高精度位置伺服系统的一个重要研究方向[3]

本文在基于计算机视觉技术,设计出一个两自由度双电机协同控制装置,实现对移动物品的实时捕捉。

  1. 研究现状

本设计主要分为三个板块:伺服电机的工作方式和特点,视觉技术以及STM32单片机。

1.伺服电机的工作方式和特点

位置伺服系统主要发展方向为智能化、网络化、全数字化、高度集成化和模块化,而位置伺服系统的发展受影响于伺服电动机的进步,目前,位置伺服系统的发展史走过五十年运动运动控制系统可以分为开环运动控制和闭环运动控制两大类,闭环运动控制系统即伺服系统包含一个或多个反馈传感器,通过不断的比较系统的输出变量和期望值,得到修正误差,从而逐渐调整系统的准确性,需要反馈装置来测量输出变量,从而校正控制[4],而开环系统则不需要反馈装置来测量输出变量,虽然成本低,但因为其精确控制并没有闭环系统高,它常常应用在对精确控制要求不是很高的控制系统中,按控制方法,运动控制可分为:点位运动控制、轨迹控制、速度控制、力矩控制。现在主流的运动控制器技术有一下几种:基于专用的运动控制集成芯片、基于通用PC机、基于数字信号处理技术、以及基于微处理器/嵌入式技术。稳定性好、精度高、速度快始终都是运动控制器发展的一个方向[5][6]。为适应新技术和 市场发展的需求,与运动控制相关的应用研究也从未间断。如有关文献研究了分布式运动控制的设计[7][8],它们都是基于各种网络实时通信协议,实现远程同步控制。

保持双电机的协同运转常有机械方式和电方式两种方法,两种方法相比,机械方式是指机械总轴同步控制,它采用的是具有较好连接刚性的机械传动装置实现的[9],此种控制方式的优点是结构简单、比较牢固,同步控制效果也比较好,所以得到了广泛的应用,但是此方式连接部件比较多,部件之间的摩擦比较大,降低了机械的使用寿命,且机械总轴控制比较容易产生震荡,影响了同步性能。此外,多个执行元件往往需要较大的传动装置,执行部件间隔较远时,控制难度会增大,所以这种传统的同步控制装置的应用受到了很大程度的限制[10]。相比而言,电同步方式可以实现更加灵活的控制。电多电机协同控制一般可分为非耦合方式和耦合控制方式,在此基础上,出现了某些更为完善的控制策略。多电机非耦合控制有并行同步控制方式,其主要特点是多个电机彼此相互独立,由多个控制器分别进行控制,且控制信号是按照一定比例给定,多电机耦合控制分为偏差耦合控制和交叉耦合控制,前者的主要特点是根据电机之间的转速差值作为速度补偿,虽然同步性能较好,但是会遗留下多电机跟踪轨迹非线性、动态性能匹配差等问题,后者主要特点是将两台电机的速度大小比较后将差值用作反馈信号,使系统自我调节、实现信号补偿。它能够提高同步控制精度和抗干扰性[11]

2.视觉技术

计算机视觉技术是人工智能与计算机识别技术有效融合的结果,通过图像识别、处理和分析,从而获取相关图像和自动化数据,进而模拟出识别物体的形状与视觉特点[12]。基于视觉的目标检测是图像处理和计算机视觉领域的重要研究方向之一,可应用于自动驾驶系统中的车辆、行人、交通标志等目标检测[13] 。视频监 控中的异常事件分析,以及服务机器人等诸多领域。 近年来,随着深度神经网络的发展[14],包括图像分 类、目标检测以及语义分割等方面的研究均取得了显著进展[15]。目前,基于相关及多维滤波器的视觉目标跟踪方法是一种能有效跟踪远/近景移动目标的算法框 架。该框架可以与任何的目标识别方法相结合,提升系统的跟踪识别精度。 该方法主要过程如下:算法首先通过基线设置 对识别目标进行规模估计,然后将相关滤波器拓展为多维滤波器来确定目标位置,最后使用特征金字塔确定目标的尺度大小,完成目标的持续跟踪[16][17]

  1. STM32单片机

2007年6月11日,意法半导体公司高调推出一款新的32位微控制器系列产品: STM32.目前意法半导体公司所生产的基于Cortex-M3内核的STM32控制器已有4 个产品线:基本型系列STM32F101、USB基本型系列STM32F102.增强型 STM32F103和互联型STM32F105/7[18]。这四个系列的产品在引脚排列、软件、固件和 开发工具方面相互兼容,为设备厂商开发对MIPS速度要求很高的高性能应用和电 池驱动设备提供了一个共同的开发基础。开发商能够提高硬件、代码、工具和知 识的投资收益,缩短产品上市时间,节省开发成本。对于使用同一平台进行多个项目的开发而言,STM32更是一种非常好的选择。 因为在STM32全系列产品中,既有适合仅需少量的存储空间和引脚的,也有满足需 要更多的存储空间和引脚的;既有适合高性能应用的,又有满足低功耗要求的;既有适合低成本简单应用的,也有满足高端复杂应用的。全系列兼容,使得项目之间的代码重用和代码移植变得非常方便[19]。2012年苑洁就曾用封装为LQFP64的STM32研究过高精度超声波测距系统,与传统单片机相比,STM32的主频和定时器的频率可以通过PLL倍频高达 华北电力大字硕士论文 72MHz,高分辨率的定时器为高精度的测量提供了保证。超声波的发射使用定时 器的PWM功能来驱动,回波信号的接收使用定时器的输入捕获功能,开始测距时,定时器的开启将同时启动PWM和输入捕获,完全消除了启动发射和启动计时之间的偏差,提高了测量精度[20]

  1. 要研究或解决的问题
  2. 充分了解伺服电机的工作方式和特点、视觉技术以及STM32单片机的运用
  3. 学习视觉算法库,编写视觉算法相关程序
  4. 学习编程软件,编写STM32单片机的控制程序
  5. 学习如何正确连接各芯片引脚,搭建平台实物并对其进行测试实验
  6. 编写电机驱动程序,实现对伺服电机的控制
  7. 如何消除或减少误差
  8. 拟采用的研究手段
  9. 通过搜集相关书籍,询问老师,进入知网查阅之前的学长们对该方面的研究对伺服系统,视觉技术以及STM32单片机进行深入学习,掌握其工作原理。
  10. 在对课题背景以及相关技术原理全面了解后,着手进行电机选型。
  11. 设计相应硬件电路掌握各外围芯片工作原理后开始通过软件绘制其电路版图以及制作调试工作。
  12. 通过学习opencv3,编写视觉算法的相关程序。
  13. 借阅图书馆书籍,运用编程软件,编写STM32控制程序。
  14. 多次实验进行实验验证,减小误差,设计出基于STM32单片机的基于视觉技术的双电机协同控制装置。

五、参考文献

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