重力感应滤波控制算法无线通信 随着科技的飞速发展,人们对智能控制提出了越来越高的 要求,自动识别和遥控小车的模型方案也逐渐趋于成熟。传统 的智能小车通常具有自动循迹、避障、图像采集和显示等功能, 淡化了对用户体验和操作的要求。为了弥补这种不足,本文以 重力感应实现小车的控制,使其可以按照用户自己的操作习惯 实现定向运动。 重力感应技术广泛应用于工业自动化、航空航天、电子设备、 建筑工程等应用领域 。由于操控时存在人手抖动等干扰噪声,重力加速度传感器采集的数据误差较大,严重影响了用户操作 的流畅性。因此, 本文对传感器采集的数据进行卡尔曼滤波以还 原真实数据,更加准确的估计出系统的动态状态,进而减少了 档位切换误触发次数,明显改善用户操作体验。 系统设计方案本设计的总体结构如图1 所示,主要包括智能小车端和手 持遥控端两个部分。其中,手持遥控端通过对重力加速度传感 器的检测,得到x,y,z 三轴加速度分量,进而计算出当前遥 控端状态,把此状态量输入到卡尔曼滤波器进行滤波,并将其 映射为小车的控制量,通过无线模块发送给小车。小车端接收 到手持端发送的控制信号,产生PWM控制小车动作。 图1系统总体结构图 1.1 手持端重力感应模块 本系统使用MPU6050 三轴加速度传感器实现重力检测。三 轴加速度传感器能检测x,y, 三个方向的角速度和重力加速度。由于要用手持端倾斜时加速度向量与重力加速度向量夹角描述 手持端的运动状态,则只需要将重力加速度分解到对应的x,y 轴上即可,利用反三角函数求得当前手持端的倾斜状态。如图 所示,如果某一时刻读取到的三轴重力加速度值分别为Gx、Gy、Gz。当前手持端倾斜角为α,倾斜的方向角为β,此时倾 斜角和方向角的计算公式如下(1)(2)所示。 计算得到的倾斜角α和方向角β存在较大误差,还需对其进行滤波处理。 卡尔曼滤波是一种最优化自回归数据处理算法,广泛应用 于控制制导图像识别等应用研究领域 。本设计采用卡尔曼滤波算法对手持端状态角度进行优化,能够有效减少输出信号的 毛刺波动,避免小车运行频繁出现卡顿现象,从而让小车的行 驶更平滑。卡尔曼滤波算法共有五个基本公式,通过循环迭代 就可以得到最优的状态估计值。 无线数据发送格式1.2 无线传输模块 无线传输模块采用由NORDIC 生产的NRF24L01 单片无线 收发器芯片。该模块集成控制器、振荡器和功率放大器等电路, 工作在2.4GHz 的ISM 频段,且能通过SPI 协议直接与单片机 连接进行数据传输。本设计采用单向数据传输。手持端实时发 送小车需要控制的运动量及运动方向,小车端检测到信号后对 电机驱动进行控制实现小车的控制。发送数据的编码格式如图3 所示。采用大端模式进行数据传输,每次发送四个字节数据。 其中第0 位发送需要控制的小车速度,第1 位发送需要控制的 小车方向,第2 位发送小车的行驶模式,第3 位发送系统预保 留的状态字。小车端接收到数据后解码将其转化为单片机输出 的PWM值。 1.3 小车端电机驱动模块 电机驱动模块采用L298N 电机驱动芯片。L298N 电机驱动 芯片最大输出功率25W、控制简单,可直接用于两路直流电机 和四线步进电机的驱动。当该芯片被使能后,通过改变两个输 入端电平高低和PWM的占空比,就可以方便控制小车的运动速 度和前进方向。本设计采用单片机内部输出PWM控制小车行驶, 共设有三个速度档位:1 档占空比10%,2 档占空比20%,3 占空比50%。1.4 电源管理 遥控端电源使用常见的智能手机锂离子电池,能够提供5V 电压输出,体积小且能重复充电。小车端使用专用镍氢电池, 输出7.2V电压最大容量2000mAh,供L298N驱动模块功率输出, 同时用7805 电源芯片将7.2V 电压将为5V 供单片机工作。 测试结果当开机上电系统初始化后,小车端检测到手持端发来的信 号后执行相应的动作。实际测试采用卡尔曼滤波前后系统的输 出状态对比如图4 所示。其中曲线1 表示滤波前手持端俯仰角 (对应小车前后运动)的变化,曲线2 表示滤波后手持端俯仰 角的变化,曲线3 表示滤波前手持端翻滚角(对应小车左右运 动)的变化,曲线4 表示滤波后手持端翻滚角的变化。可以看出, (下转第111页) 技术与应用累在带钢上表面的乳化液非常容易卷到钢卷中,造成头尾比较 严重的乳化液斑迹。为了有效消除换向过程中造成的乳化液夹 带,在轧机的双侧增加气缸带动可升降的气刀防溢吹扫机构。 3.2 退火粘连的控制 钢卷在退火过程中,其内部所产生的热应力为拉应力,而拉应力是不会使层间发生粘连现象。所以加热阶段及保温阶段 对层间粘连都不会产生影响。 钢卷在退火过程中的冷却阶段,与加热阶段相反,内外表 面及端面首先冷却,内外表面温度要低于钢卷心部温度,此时 钢卷内部将产生压应力。压应力将促使钢卷层间粘结现象的发 生。随着冷却速度的不同,卷心温度与表面温度的差值不同, 即温度梯度不同,所产生的压应力大小也有所不同。 要计算钢卷内部压应力首先要初步确定钢卷与周围介质之 间的对流换热系数,再根据钢卷紧密系数,试验曲线对不同卷 层的温度进行插值,计算不同位置单元的径向导热系数、弹性 模量和热膨胀系数; 然后调用Supper-SAP 软件计算钢卷内部温 度场,将计算结果与实测的退火温度曲线进行比较,再重新修 正钢卷边界的对流换热系数进行重新计算。最后根据所计算的 温度场计算根据内部热应力。通过计算从下图3 温度场和图4 压应力分布可以看出钢卷在罩式炉内退火过程中,冷却开始3 小时后,此时卷心温度在670以上,钢卷在高温、高压下,其 层与层之间极易发生粘结。卷取张力引起的钢卷径向应力和退 火过程中产生的径向应力沿钢卷的径向分布。 钢卷冷却3小时后内部温度场 可见,压力、温度和时间是产生粘结的三个主要原因。解决粘结问题也主要从压力、温度和时间三个方面着手。由于退 火工艺的要求,对温度和时间的要求比较严格,温度一般不会 降低很多。而退火时间却是值得进一步研究的问题,通过对热 应力进行计算可知,适当地延长冷却阶段开始时的时间可降低 一定的热应力,从而减轻粘结倾向。所以应根据不同钢种制定 不同的退火制度。但由于现场具体条件的限制,解决粘结问题 行之有效的方法可从降低钢卷层间压力方面入手。而层间接触 压力又取决于钢卷卷取的紧密程度,它与卷取张力的大小、板形、 板凸度和表面粗糙度等情况紧密相关。 通过以上分析不但对CQ、DQ 材质的各类产品的退火工艺 制度进行了优化,还要求对薄规格,厚度0.4 毫米以下的钢卷和 轧制板形、凸度和表面粗糙度较差的钢卷进入罩退炉前进行重 卷松卷,并制订出了一系列适合生产线的退火程序,部分举例 详见下表: 材质 程序编号 热点/ 冷点()+ 缓冷时间(h) 适用规格 (mm) 氢气要求 CQ141 700/620+3 1.3~2.0 2.8 143 700/610+2 0.8~1.2 2.8 145 690/610+2 0.5~0.7 2.8 147 690/600+4 0.3~0.4 2.8 DQ 241 700/650+2 1.3~2.0 2.8 243 700/650+2 0.8~1.2 2.8 245 690/640+2 0.5~0.7 2.8 247 690/640+4 0.3~0.4 2.8 优化改进后,通过实际生产和产品质量检验,新制订的退 火程序各方面的性能均优于原退火程序,退火周期平均减少5 小时左右,吨钢氢气实际消耗降低0.5m 左右,产品的表面清洁度提高了10% 左右,尤其是杜绝了板面粘结现象。 500mm 冷轧机组优化改造后,工艺设备运行状况良 好,生产成本得到了很好的控制,生产作业率提高了5%,成材 率提高了5%。产品质量也大大提升,得到了用户的好评,产生 了显著的经济效益,在同行业具有良好的推广价值。 参考文献: 梁爱生.轧钢生产新技术600 北京:冶金工业出版,2004. 艾伯纳太仓技术研讨会资料.江苏艾伯纳中国太仓分公 司,2007. 经过滤波之后的角度输出的毛刺明显减少,小车的运行状态也 更加平滑。 滤波前后系统输出状态图参考文献: 唐海玲,赵春雨,宋家友.基于MMA7361 加速度传感器的 重力感应遥控小车的设计[J]. 研究动态,2013. 重力感应技术在智能手机中的应用分析[J]. 电视技术,2013. 卡尔曼滤波的基本原理与应用[J].软件导刊,2009. 作者简介:李晓,男,杭州电子科技大学电子信息学院, 本科生; 刘公致,男,杭州电子科技大学电子信息学院副研究员; 张钰,女,杭州电子科技大学电子信息学院副教授。 (上接第109页) 基于重力感应的无线智能小车 作者: 作者单位:杭州电子科技大学电子信息学院,浙江 杭州,310018 刊名: 科技展望 英文刊名: Technology Outlook 2015(2)引用本文格式:李晓.刘公致.张钰 基于重力感应的无线智能小车[期刊论文]-科技展望 2015(2)