點(diǎn)光源跟蹤系統(tǒng)論文

1、摘要：本文設(shè)計(jì)的是一個(gè)點(diǎn)光源追蹤系統(tǒng)，主要由光照傳感器的照度檢測與處理，控制器分析與處理，執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行和模塊顯示這幾個(gè)部分構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)是以LM3S811為控制核心，通過四個(gè)可見光照度傳感器來檢測光照，依據(jù)光照度的變化、大小來判斷出點(diǎn)光源的位置與運(yùn)動(dòng)趨勢，并將點(diǎn)光源運(yùn)動(dòng)分解為水平和豎直方向的二維運(yùn)動(dòng)，借以來控制水平電機(jī)與豎直電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。當(dāng)水平方向上的兩傳感器的測量數(shù)值相對(duì)接近，同時(shí)豎直方向上的兩傳感器的測量數(shù)值也相對(duì)接近時(shí)，位于豎直傳感器中間的激光筆將精確的指向點(diǎn)光源。除基本要求滿足外，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一些拓展環(huán)節(jié)：在點(diǎn)光源正對(duì)及電機(jī)運(yùn)動(dòng)幅度允許的條件下，激光筆可追蹤任意方向移動(dòng)的點(diǎn)光源，也可

2、換速度檔，達(dá)到迅速調(diào)節(jié)的目的。 關(guān)鍵字：點(diǎn)光源定位 尋跡 二維運(yùn)動(dòng)分析 直流減速電機(jī)控制 LM3S811 一系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)1.主控芯片根據(jù)本題的要求，整個(gè)系統(tǒng)中必須要有一個(gè)主控芯片來處理數(shù)據(jù)和控制操作，主要考慮以下兩種方案：方案一：MSP430系列單片機(jī)。16位低功耗單片機(jī)，性能良好。方案二：Cortex-M3系列。32位處理器內(nèi)核高性能處理器，具有強(qiáng)大的控制、處理能力，豐富的外圍模塊，穩(wěn)定的系統(tǒng)，提供方便高效的開發(fā)環(huán)境。本系統(tǒng)選取Cortex-M3系列的LM3S811作為控制器，LM3S811支持低功耗模式，性能穩(wěn)定，內(nèi)置嵌套向量中斷控制器，在控制、處理數(shù)據(jù)速度上有優(yōu)勢，并含有豐富的外圍模塊，

3、所以選擇方案二。2.傳感器的選擇本系統(tǒng)的傳感器主要是檢測光照度，可考慮的傳感器如下列方案：方案一：光敏電阻。從光照特性來看，隨著光照強(qiáng)度的增加，光敏電阻的阻值開始迅速下降，可以反映光照的變化，但該特性大多數(shù)情況為非線性，部分光照區(qū)間內(nèi)，特性變化不靈敏。方案二：硅光電池。硅光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件，根據(jù)硅光電池光照強(qiáng)度曲線特性可知：硅光電池的開路電壓或短路電流與光強(qiáng)呈很好的線性關(guān)系。方案三：光敏二極管。光敏二極管具有單向?qū)щ娦?，無光照時(shí)，有很小的暗電流，當(dāng)受到光照時(shí)，光電流隨射光強(qiáng)度的變化而變化。方案四：可見光照度傳感器。該傳感器是一個(gè)光電集成傳感器，內(nèi)置敏感元接收器，可見光

4、范圍內(nèi)，輸出電流照度呈線性變化，暗電流小，低照度響應(yīng)，靈敏度高。在測試光敏電阻與硅光電池時(shí)，發(fā)現(xiàn)光源的距離限制了兩者的應(yīng)用范圍。當(dāng)距離比較大時(shí)，兩者的靈敏度大大降低。經(jīng)實(shí)踐測定，光敏二級(jí)管與可見光照度傳感器滿足要求，但在反映速度，及變化的靈敏、快速性方面，光照度傳感器更勝一籌，因此傳感器選擇方案四。3.電機(jī)的選擇電機(jī)的主要作用是調(diào)整激光筆的位置，指向點(diǎn)光源，可選取的類型如下方案：方案一：步進(jìn)電機(jī)。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。每給一次脈沖信號(hào)，電機(jī)能夠轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。方案二：直流減速電機(jī)。此電機(jī)在正常通電狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，角度的變化

5、也近乎連續(xù)，控制簡單方便。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求可知，步進(jìn)電機(jī)存在的明顯缺陷是角度變化的局限性，控制相對(duì)直流減速電機(jī)而言也復(fù)雜。直流減速電機(jī)除角度連續(xù)變化外，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，容易控制，因而選用第二種方案。4.點(diǎn)電源的供電方案根據(jù)題目要求：為產(chǎn)生150mA350mA的LED驅(qū)動(dòng)電流，采用亮度驅(qū)動(dòng)芯片TPS61062。調(diào)試發(fā)現(xiàn)，電流不能夠滿足要求，最終決定在此基礎(chǔ)上添加大功率三級(jí)管放大，經(jīng)測試可行。5.總方案的確定綜上，本系統(tǒng)最終以LM3S811作為控制器，用可見光照傳感器做檢測元件，通過控制直流減速電動(dòng)機(jī)來使激光筆指向點(diǎn)光源。圖1 系統(tǒng)方框圖二理論分析及計(jì)算1點(diǎn)光源特性分析根據(jù)題目中的要求，可以將點(diǎn)光源的運(yùn)動(dòng)

6、分為沿圓周移動(dòng)和沿其他任意方向移動(dòng)兩種形式?？臻g中的任何一點(diǎn)可以用惟一的參量來表示，根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡的不同，選擇不同的坐標(biāo)參量，具體如下：a.沿圓周移動(dòng)點(diǎn)光源此類運(yùn)動(dòng)趨勢的點(diǎn)光源設(shè)定為第一類點(diǎn)光源。對(duì)于第一類光源，我們采用柱面坐標(biāo)來處理。由于運(yùn)動(dòng)圓周的半徑和點(diǎn)光源的高度都以固定，因此確定點(diǎn)光源的位置或變化趨勢可歸結(jié)于求取單一變量：水平面的角度或其變化量。b.沿其他任意方向移動(dòng)的點(diǎn)光源此類運(yùn)動(dòng)趨勢的點(diǎn)光源設(shè)定為第二類點(diǎn)光源。對(duì)于第二類光源，我們采用極坐標(biāo)來處理。因?yàn)辄c(diǎn)光源的指向問題與徑長的值不相關(guān)，所以點(diǎn)光源位置的確定可通過求解仰角和水平面角度及其變化。根據(jù)以上分析，可以將追蹤點(diǎn)光源的位置問題轉(zhuǎn)化為

7、求解水平角度或仰角與水平角度的相關(guān)問題。降低了任務(wù)的復(fù)雜性，目標(biāo)明確。2.傳感器布局分析與計(jì)算根據(jù)第一、二類點(diǎn)光源的特性及光照亮度來追蹤光源的原理，依據(jù)簡易、精確控制與節(jié)約資源的原則，本設(shè)計(jì)采用四路照度檢測通道。其中，兩路檢測元件水平排布用于水平面定位，布局相對(duì)對(duì)稱，另兩路左右檢測元件與激光筆平行，用于豎直定位。點(diǎn)光源的移動(dòng)可分解為水平移動(dòng)和豎直移動(dòng)。水平布局的中心傳感器應(yīng)用于精確定位光源的水平位置。水平方向兩邊的傳感器主要用來檢測光源的水平位置或水平移動(dòng)方向，以便及時(shí)通知控制器調(diào)整指示筆的水平指向?？紤]到能夠快速的檢測到光源的水平方向上的移動(dòng)及移動(dòng)的具體方向，設(shè)定最小識(shí)別光源距離為10cm(

8、此偏差的解決方法見光照分析）。此時(shí)傳感器的理想分布如下圖所示：水平方向兩路傳感器與中間的夾角計(jì)算如下：;其中r為傳感器距離圓心的距離由實(shí)際可知r值相對(duì)比較小，近似計(jì)算，可得。根據(jù)實(shí)際調(diào)試的情況，選取左右。 豎直方向的布局分析與上述情況相同。圖2 傳感器布局分析圖此外，考慮到外界強(qiáng)光的影響，在傳感器的前端加黑色圓筒處理。實(shí)踐證明，這樣的處理能夠有效地避免外界干擾，達(dá)到更良好的控制。3.光照度分析根據(jù)可見光照度傳感器的物理結(jié)構(gòu)特征：內(nèi)置敏感元接收器。適宜用光照度來分析，照度指物體被照亮的程度，采用單位面積所接受的光通量來表示。一般的點(diǎn)光源的特點(diǎn)是能以4 立體角向周圍空間發(fā)出相同發(fā)光強(qiáng)度的光輻射。而

9、本設(shè)計(jì)采用的點(diǎn)光源在此基礎(chǔ)上增加了有聚光作用的燈罩，所以周圍的光照強(qiáng)度分布并不均勻，變化趨勢為中間向兩邊遞減。但在中間的一段可以近似相等，這也是精確指示光源的難點(diǎn)之一。對(duì)光照相等的區(qū)域做如下分析：假設(shè)面元ds受點(diǎn)光源S的光照，設(shè)點(diǎn)光源S至面元ds距離為r，并且點(diǎn)光源發(fā)出的元光束的光軸與面元的法線N之間的夾角為 ，則面元上的照度如下：對(duì)相鄰面元的光照分析與計(jì)算下： 易知，中間光照近似相等的區(qū)域很小，則。就水平方向而言，當(dāng)且僅當(dāng)時(shí)，兩個(gè)傳感器的光照亮度,此時(shí)點(diǎn)光源位于兩傳感器中間位置;因?yàn)樨Q直方向與水平方向的分布相同，當(dāng)時(shí)，點(diǎn)光源位于豎直傳感器中間。設(shè)置激光筆的位置在豎直傳感器的中間，當(dāng)水平與豎直

10、方向同時(shí)滿足條件時(shí)，激光筆將準(zhǔn)確定位在光源中心處。 圖3 光照度分析圖3 系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì)檢測電路：傳感器檢測光照后，輸出的模擬量經(jīng)過限幅、采樣保持處理后接入AD通道。圖4 檢測電路點(diǎn)光源電流控制電路：選取LED亮度控制器，輸出電流經(jīng)大功率三極管后，接入負(fù)載。圖5 點(diǎn)光源電流控制電路顯示、按鍵電路：由7279構(gòu)成的顯示，按鍵電路圖6 顯示、按鍵電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路：采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298控制電機(jī)圖7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路4 程序設(shè)計(jì)流程程序描述：初始化部分：控制器配置程序主體部分包括：光照度檢測，數(shù)據(jù)處理，狀態(tài)分析、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)并循環(huán)。控制系統(tǒng)上電后，如果不按按鍵K1，那么控制系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入到檢測狀態(tài)，在檢

11、測狀態(tài)中，系統(tǒng)會(huì)每個(gè)一段時(shí)間分別顯示出4路傳感器的測量值，也可以通過按按鍵K4，K5，K6來實(shí)現(xiàn)向上、向下、向左、向右四個(gè)方向的調(diào)節(jié)。如果按按鍵K1，會(huì)啟動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)尋找點(diǎn)光源。此時(shí)，可以移動(dòng)點(diǎn)光源的位置，或者移動(dòng)激光筆的指示位置，經(jīng)過一段后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)使得激光筆的指示位置與點(diǎn)光源的位置接近，從而達(dá)到對(duì)點(diǎn)光源的自動(dòng)跟蹤效果。 圖8 程序設(shè)計(jì)流程圖5 測試方案與結(jié)果1. 測試方法與過程由理論分析可知，本系統(tǒng)對(duì)傳感器的精度要求比較高。主要就是微調(diào)傳感器的角度。測試前的準(zhǔn)備：先給點(diǎn)光源通電，調(diào)整點(diǎn)光源的電流值，達(dá)到規(guī)定范圍內(nèi)，然后在給其余設(shè)備供電后系統(tǒng)直接進(jìn)入檢測傳感器是否能夠正常工作狀態(tài)。然后，

12、手動(dòng)使激光筆對(duì)準(zhǔn)光源，查看四個(gè)傳感器的光照的測量情況，主要是使水平方向的兩個(gè)傳感器的測量值相對(duì)接近，豎直方向的兩個(gè)傳感器的測量值也相對(duì)接近，并且微調(diào)指示臺(tái)，傳感器的測量值有顯著地變化，接著按啟動(dòng)按鍵，就可以測試。測試方法：在測試前的準(zhǔn)備工作結(jié)束后，先讓其自動(dòng)運(yùn)行，在自動(dòng)找到點(diǎn)光源，并且激光筆正確指示后，沿任意方向調(diào)整光源，觀測結(jié)果。2. 測試儀器及材料直流穩(wěn)壓電源數(shù)字萬用表 點(diǎn)光源支架3. 測試結(jié)果及拓展部分點(diǎn)光源位置不變，移動(dòng)激光筆的指示位置，測量數(shù)據(jù)如下表：表1：點(diǎn)光源位置不變的測量數(shù)據(jù)測量次數(shù)12345測量偏差(cm)1.02.40.92.31.9測量次數(shù)678910測量偏差(cm)3.

13、42.71.11.71.2點(diǎn)光源沿圓周運(yùn)動(dòng)，測量數(shù)據(jù)如下表：表2：點(diǎn)光源沿圓周運(yùn)動(dòng)的測量數(shù)據(jù)測量次數(shù)12345測量偏差(cm)1.32.51.92.41.0測量次數(shù)678910測量偏差(cm)2.83.62.11.41.9點(diǎn)光源沿直線LM運(yùn)動(dòng)，測量數(shù)據(jù)如下表：表3：點(diǎn)光源沿直線LM運(yùn)動(dòng)的測量數(shù)據(jù)測量次數(shù)12345測量偏差(cm)2.82.91.91.32.3測量次數(shù)678910測量偏差(cm)1.82.02.53.02.3點(diǎn)光源在激光筆支架前的一定空間范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，測量數(shù)據(jù)如下表：表4：點(diǎn)光源在一定空間范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)的測量數(shù)據(jù)測量次數(shù)12345測量偏差(cm)0.71.32.11.70.5測量次數(shù)678910測量偏差(cm)2.61.63.02.91.1經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，在規(guī)定區(qū)域內(nèi)，激光筆能夠在5S內(nèi)精確指示，誤差在5cm之內(nèi)。此外，經(jīng)測試，本系統(tǒng)的拓展部分：只要點(diǎn)光源能正對(duì)激光筆，任