1.序言

半年沒(méi)寫(xiě)過(guò)博客了，不過(guò)這對(duì)于我的博客來(lái)說(shuō)似乎是常態(tài)？這半年來(lái)忙著做畢業(yè)論文，沒(méi)弄什么自己的研究，而實(shí)驗(yàn)室的東西實(shí)在是不好泄露出來(lái)，所以我也是“雖欲言無(wú)可進(jìn)者”了。

上星期趁著論文提交的空擋，把一直拖著的一個(gè)小項(xiàng)目開(kāi)了個(gè)頭，其實(shí)是朋友有個(gè)外快小項(xiàng)目要做，具體內(nèi)容不說(shuō)，項(xiàng)目的基礎(chǔ)是XY平臺(tái)的視覺(jué)控制，因此在前期研究中主要要做平臺(tái)選型、控制購(gòu)買(mǎi)、接線研究、模擬實(shí)驗(yàn)等工作，這里記述下來(lái)以防忘記，順便也給其他人做個(gè)參考。

本次控制通過(guò)相機(jī)采集圖像，以此為反饋信號(hào)做控制，使平臺(tái)上的某個(gè)點(diǎn)位移到指定的位置。然后本文寫(xiě)得更像隨筆形式，內(nèi)容可能有點(diǎn)雜亂，見(jiàn)諒了。

2.平臺(tái)選型與硬件接線

2.1 XY平臺(tái)選型

項(xiàng)目中需要做到精度較高的位移控制，且承重要求3kg以上，因此XY平臺(tái)選型時(shí)主要考慮步進(jìn)電機(jī)的XY平臺(tái)，淘寶上一搜就是一大片。

從中挑選了一臺(tái)二手日本平臺(tái)，由于價(jià)錢(qián)便宜店家不提供技術(shù)支持，接線什么的得自己搞。

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)不需要購(gòu)買(mǎi)，我手上有一塊前輩留下來(lái)的，正好可以用，同樣沒(méi)有任何資料。從其電路板上發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)芯片是TA8435H，于是查到其引腳功能表。

根據(jù)這個(gè)功能表可以確定驅(qū)動(dòng)上幾個(gè)引腳的功能，并用一個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)板功能完好。

在電機(jī)供電上，考慮到要驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，并獲得足夠的驅(qū)動(dòng)力，因此我試用了一個(gè)12V 4.5A的開(kāi)關(guān)電源。

2.3采集卡

為了使計(jì)算機(jī)能夠控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這里還需要一個(gè)電腦IO卡，我用的依然是以前留下來(lái)mc100 USB Card，方便好用還便宜，淘寶上一搜一大把。這個(gè)東西IO口波紋比較大，而且沒(méi)做好隔離容易燒，不過(guò)既然是實(shí)驗(yàn)用，那就將就一下了，實(shí)際產(chǎn)品中是肯定不能用這個(gè)的。

2.4平臺(tái)接線

平臺(tái)到貨后檢查發(fā)現(xiàn)電機(jī)型號(hào)查不到，只知道是三洋1.5A的步進(jìn)電機(jī)，沒(méi)辦法只好電機(jī)的線給撥了，用物理方法來(lái)測(cè)極性。撥開(kāi)線后發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)是8相的，于是要測(cè)出四組通路，通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)通，發(fā)現(xiàn)相通的幾根線是這樣的：

紅-綠

藍(lán)-白

黃-棕

黑-灰

為了測(cè)出四組線的相性，需要進(jìn)行多次接線測(cè)試，并匯總結(jié)果得到下表（只保留了幾組數(shù)據(jù)，實(shí)際中我為了完全確認(rèn)相性，各種接線組合都測(cè)了）：

根據(jù)這個(gè)表，可以確定最終的接線方法，此處使用的是并聯(lián)接法，連線如下表。

8相步進(jìn)電機(jī)還有另外一種串聯(lián)接法如下圖：

2.5硬件組裝結(jié)果

最后把兩個(gè)電機(jī)都接到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)上，USB采集卡插好，XY平臺(tái)鎖死，相機(jī)固定。

得到了個(gè)凌亂的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，圖中上面那坨黑的是工業(yè)相機(jī)。

3.平臺(tái)控制算法

控制這一塊我已經(jīng)丟了差不多三年了，現(xiàn)在再撿起來(lái)發(fā)現(xiàn)PID都不會(huì)寫(xiě)了，再加上步進(jìn)電機(jī)的控制我也沒(méi)做過(guò)，總之是不好弄啊。

首先極力回憶一下本科時(shí)微機(jī)原理課程設(shè)計(jì)里做步進(jìn)電機(jī)控制那題是什么做控制的，想起有兩種控制方式，一是控制步進(jìn)電機(jī)的步長(zhǎng)，二是控制其步數(shù)。那么這里既然要控制的是位移量，那么控制步數(shù)應(yīng)該是比較好的選擇。但對(duì)步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，每秒走1000步幾乎已經(jīng)是極限了，再快的話電機(jī)扭矩會(huì)不夠，而1000步轉(zhuǎn)換到XY平臺(tái)上實(shí)際也就位移了1cm，所以當(dāng)位移量較大時(shí)，控制的滯后環(huán)節(jié)可能會(huì)較大。但走幾步就再控制一下也不現(xiàn)實(shí)，畢竟相機(jī)的采樣時(shí)間擺在那，幾步就采樣控制一下那么控制花費(fèi)的時(shí)間可能會(huì)較長(zhǎng)……

想來(lái)想去也沒(méi)想到一個(gè)最佳的控制方案，總之先用PID控制試試看。

于是搜索增量式PID公式，花十幾分鐘把C++版本的PID控制器寫(xiě)出來(lái)：

然后設(shè)計(jì)控制周期為100ms，死區(qū)5個(gè)像素，胡亂設(shè)置一下PID參數(shù)，只做x方向的平臺(tái)控制。結(jié)果…好嘛，不管怎么樣調(diào)試系統(tǒng)震蕩都很?chē)?yán)重，大概是這樣子的：

最后我實(shí)在是懶得整定PID參數(shù)了，于是重新設(shè)計(jì)控制算法。

當(dāng)誤差大于50像素，用PD控制快速移動(dòng)平臺(tái)。

當(dāng)誤差在50像素以?xún)?nèi)時(shí)，根據(jù)事先做好的標(biāo)定［注1］，查表獲得位移的步長(zhǎng)進(jìn)行一次移動(dòng)。

移動(dòng)完成后再次檢查還有多少誤差，以1的步長(zhǎng)慢慢消除該誤差。

［注1］這里目標(biāo)點(diǎn)的位置是固定的，因此可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)行多次標(biāo)定，確定圖像上各個(gè)坐標(biāo)上的點(diǎn)要位移目標(biāo)點(diǎn)處需要走多少步，但考慮到相機(jī)畸變這個(gè)標(biāo)定是無(wú)法完全準(zhǔn)確的，因此為盡量減少畸變?cè)斐傻恼`差，位移的目標(biāo)點(diǎn)應(yīng)放在相機(jī)視野中心，且只做該點(diǎn)半徑50像素內(nèi)的點(diǎn)的位移步數(shù)標(biāo)定。

根據(jù)上述控制流程，能夠較為快速地完成控制，控制精度可在0.5像素以?xún)?nèi)，具體可以達(dá)到多少由于現(xiàn)在相機(jī)的安裝位置角度都沒(méi)定下來(lái)，所以我暫時(shí)也沒(méi)仔細(xì)測(cè)了。

4.程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

XY平臺(tái)涉及到X方向與Y方向的控制，兩個(gè)控制是相互獨(dú)立的，因此我采用了兩個(gè)線程對(duì)它們分別控制，下面是隨手亂畫(huà)的結(jié)構(gòu)圖：

程序運(yùn)行后開(kāi)辟三個(gè)線程，其中兩個(gè)分別負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)，主線程則負(fù)責(zé)計(jì)算控制量，該控制量也就是另外兩個(gè)控制線程的步數(shù)。

在架構(gòu)上尚未做設(shè)計(jì)，但為了提高程序的可拓展性（畢竟實(shí)用化后相機(jī)、采集卡都得換），項(xiàng)目?jī)?nèi)的幾個(gè)操作類(lèi)都通過(guò)基類(lèi)設(shè)計(jì)好了統(tǒng)一的接口，以方便今后更換硬件。

5.圖像處理算法

這里圖像處理算法偷懶了，采用的是《相機(jī)位姿估計(jì)2：［應(yīng)用］實(shí)時(shí)位姿估計(jì)與三維重建相機(jī)姿態(tài)》中跟蹤紅點(diǎn)的方法，原理是差不多的，只是這里改成了追蹤黑點(diǎn)而已，就不詳細(xì)寫(xiě)了。

實(shí)際項(xiàng)目里圖像算法當(dāng)然不會(huì)那么簡(jiǎn)單，不過(guò)這里目前還是一片空白，是下一步的工作重點(diǎn)了。

6.實(shí)驗(yàn)截圖

最后隨便給兩張程序運(yùn)行時(shí)的截圖，控制臺(tái)坐標(biāo)是當(dāng)前黑點(diǎn)坐標(biāo)，控制目標(biāo)是［500，500］，u1是x平臺(tái)的控制量，u2是y平臺(tái)的控制量。

運(yùn)行過(guò)程中

兩秒后完成位移，黑點(diǎn)被移動(dòng)到設(shè)定位置。

完成控制