问题导引式（精选6篇）
问题导引式 篇1
导引头作为导弹的关键部件, 在寻的导弹上为导弹提供了目标运动信息。它的性能和特点直接影响导弹的设计和性能。现代作战的环境以及目标特性对导弹的反应时间、体积、机动性都提出了越来越高的要求。
俯仰式导引头采用偏航外框架、俯仰内框架。由于导弹设计对导引头体积有限制, 因此这种结构的导引头框架角的最大值也受限制, 导引头视场是很有限的。
滚仰式导引头是一种新型导引头, 这种导引头采用滚转外框架、俯仰内框架结构;滚转角λx的范围从0到360度, 俯仰角λz的范围从-90度到90度。滚仰式导引头视场很大 (包含整个前半球) , 可以实现大离轴角攻击;而且滚仰式导引头位标器体积较小, 有利于导弹气动及弹头结构设计。因此, 发展滚仰式导引头是非常必要的。
目前, 国内对该导引头的研究还处于起步阶段, 尤其是对滚仰式导引头过顶跟踪问题研究得还不够。目前, 在处理滚仰式导引头过顶跟踪时, 主要采用如下方法:
(1) 对导引头结构加以改进 (如安装偏置基座等) 。
(2) 进一步地提高导引头伺服机构的性能减小其对跟踪的影响。
这两种方法无疑是有着其不足之处的。增加一个新的运动机构会使得导引头的结构更加复杂、体积大大增加, 可靠性也会降低。在目前技术条件, 提高导引头伺服机构的性能也是有限度的。哪怕不考虑成本因素, 就目前的技术水平而言, 依靠这种方法也不能消除过顶跟踪的影响。
因此, 从控制上采用合适的方法降低过顶跟踪的不利影响是一种很好的思路。针对这个问题, 本文在分析滚仰导引头的过顶跟踪问题的成因和实质之后, 给出了采用MRS模型的抗饱和控制方法。通过仿真, 表明该方法在过顶跟踪控制中是有效的, 能够降低过顶跟踪的不利影响。相对于硬件处理方法, 该方法实现简单、成本很低, 有着巨大的实际应用意义。
1 滚仰式导引头的过顶跟踪问题
在研究导引头运动时, 定义如下坐标系:弹体坐标系OXmYmZm、导引头坐标系OXaYaZa、目标视线坐标系OXsYsZs。
弹体坐标系OXmYmZm先绕Xm轴转动λx (导引头X轴框架角) , 再绕Zm转动λz (导引头Z轴框架角) 即与导引头坐标系OXaYaZa重合。弹体坐标系OXmYmZm与导引头坐标系OXaYaZa关系如图1。
导引头坐标系OXaYaZa先绕Ya轴转动εy (跟踪误差角) , 再绕Za转动εz (跟踪误差角) 即与目标视线坐标系OXsYsZs重合。导引头坐标系OXaYaZa与目标视线坐标系OXsYsZs的关系如图2。
根据滚仰式导引头的结构及运动学特点, 其跟踪控制指令具体计算如下:
设λx、λz为导引头实际的框架角;U是与目标视线重合的单位向量;当导引头框架角为λx+Δλx、λz+Δλz, 则跟踪误差角εy、εz为0。根据运动学有,
把式 (1.1) 展开后可以得到3个方程, 取其中一个方程可以得到解:
(当cosεytanλz+tanεz>0时取正, 反之取负。)
将式 (1.2) 展开可得, 由其中一个方程可得:
式 (1.3) 计算的是Z回路控制指令, 式 (1.4) 计算的是X回路控制指令。式 (1.3) 、式 (1.4) 就是滚仰式导引头跟踪算法。通过这两式可以计算出跟踪目标需要的框架角指令。
由式 (1.4) , 可以发现:当λz较小时, λx的变化与跟踪误差角εy、εz的变化不是同量级的 (跟踪误差角εy、εz的变化较小, λx的变化也很大) 。这种情况下, 很可能会导致速度过顶问题 (电机的最大跟踪速度小于指令要求) ;而且λz越小, 出现速度过顶的可能性越大。
对导引头设计而言, 滚仰式导引头的过顶跟踪问题是滚仰式导引头设计中无法回避的问题。
值得注意的是:当λz很小时, 即使Δλx很大, 跟踪误差角也是很小的。因此, 保证在λz较大的情况下电机的最大速度不超过控制指令要求, 电机就应该基本满足控制需要了。实际上, 过大的电机速度不是必要的。
但是在电机速度基本满足控制要求后, 按照常用的导引头控制系统设计的滚仰导引头不能准确地跟踪目标。一旦出现速度过顶, 跟踪误差会迅速地增加, 甚至发散。
经过分析发现:出现这种情况的根本原因是没有考虑电机的饱和控制问题。
在控制上, 滚仰式导引头的过顶跟踪问题实质是个典型的执行器饱和问题。在控制中, 饱和环节是个典型的非线性环节。当系统从线性进入非线性 (饱和状态) 时, 相当于系统参数发生了变化。不考虑饱和环节设计的线性控制系统必然不会满足实际要求。在系统存在PID环节时, 控制系统受饱和影响特别明显 (积分饱和) , 而导引头控制系统恰恰存在PID环节。
因此, 一味地提高电机的最大速度不是一个好的解决方法。抑制电机饱和的不利影响才是解决过顶跟踪问题的关键。
2 过顶跟踪的抗饱和控制方法
为了解决滚仰式导引头的“过顶跟踪”问题, 必须解决电机的饱和控制问题。解决这类问题的方法主要有两种:直接法和抗饱和法。本文采用抗饱和设计法[6] (也就是/补偿器设计法) 。
抗饱和设计法也被称为两步法, 这种设计方法的具体步骤分为两步。
第一步:不考虑饱和非线性环节, 按照实际需要的性能指标设计控制器。
第二步:考虑不饱和非线性环节, 设计抗饱和补偿器控制降低饱和环节对系统影响。
目前, 抗饱和控制基本有了一个统一的框架[9], 具体如图3所示。
图3给出了含抗饱和补偿器的闭环系统结构, 图3中, r为参考输入, u为控制输出。显然, 只有在系统出现饱和时, 抗饱和补偿器输入不为零, 补偿器才有所动作, 其作用是保证闭环系统稳定, 且将闭环系统的性能变坏的程度减为最小。
这种方法可以用各种控制理论进行设计, 设计相对简单并且易于实现。不过虽然抗饱和控制基本有了统一的框架, 但是具体的抗饱和控制器还是各有差别。
本文采用的是引入MRS模型[7]的抗饱和控制器, 具体如图4。
这种抗饱和控制器可以对执行器幅值和速度 (或者速度和加速度) 同时进行饱和补偿。当只需进行一种补偿时, 按需求去掉一个饱和环节即可。
按照图4, 系统的状态方程为
补偿矩阵L计算方法[8]如下:
对于实数矩阵x, 符号He表示自身与其转置的和, 即He X=XT+X。设
式 (2.2) 中Δ为一个m×m的对角矩阵的集合, 且它的元素的对角元是1或者0;并假设闭环系统 (2.1) 具有代数环良定性, fi表示矩阵F的第i行, P为正定矩阵, 定义:
根据下述引理可计算出矩阵L。
则
而且, 当w=0时, ε (Q-1, 1) 是不变椭圆, 若x (0) =0, ‖w‖2≤1则有:‖z‖2≤γ‖w‖2。引理2:给定正定矩阵Q∈Rn×n及实数γ>0, 令V (x) =xTQ-1x, 则对于闭环系统 (2.1) , 如果存在矩阵Y∈Rm×n, 满足, 并且有
则
而且, 当w=0时, ε (Q-1, 1) 是不变椭圆,
若x (0) =0, ‖w‖2≤1则有:‖z‖2≤γ‖w‖2。引理1由多面体微分包含导出, 结果比基于范数有界微分包含的引理2有更低的保守性, 但代价是引入了更多的LMI约束, LMI的数目随系统规模呈指数增长, 计算的复杂性显著增加。
在满足假设条件下, 采用以上两个引理中一个, 即可计算出补偿矩阵L。然而, 值得注意的是采用这种方法计算出的L不能保证是全局最优解。根据计算得到的结果进行试凑, 是工程中常用的方法。
3 仿真分析
考虑到仿真只是验证导引头跟踪算法, 为了保证目标出现在速度过顶区域, 仿真时不引入制导控制系统。采用以下仿真条件:导引头的X轴伺服模型为
为导引头框架角, u为力矩电机输入电压。
导弹弹体姿态不变, 俯仰、偏航、和滚转角均为零。导弹和目标初始相对位置X=10 000 m, Y=50m, Z=-2 000 m。导弹运动:假设导弹速度不变, 沿X正方向运动速度为300 m/s, 沿Z正方向运动速度为300, y方向速度为0。仿真中, 采样周期为T=0.01 s。
抗饱和控制器设计如下:导引头控制回路分为速度回路和位置回路;位置回路为外回路, 速度回路为内回路。按照性能指标设计好导引头控制回路后, 在速度回路加入抗饱和控制器, 速度回路输入和输出均为角速度λx。如图5。
按照性能指标设计的PID控制器为KP=30, KI=6, KD=0;由于伺服系统只有一个输入限幅环节, L=[0, -5], 抗饱和控制器中取k=1。
仿真结果如图6。
仿真结果表明:
在出现驱动器饱和的情况后, 未考虑饱和问题设计的控制回路跟踪发散了 (跟踪误差角远远超过了跟踪要求) ;而采用抗饱和控制器的跟踪系统跟踪情况良好。
在加入了抗饱和控制器后, 虽然导引头伺服系统的最大速度不能满足X轴的跟踪指令要求, 但是导引头还是能较好地跟踪目标。
4 结论
当目标视线在导弹纵轴附近时, 滚仰式导引头会出现过顶跟踪问题, 一味地提高电机的最大速度不是一个好的解决方法。从控制上采取方法, 抑制电机饱和的不利影响就能够在一定程度上解决过顶跟踪问题。在滚仰式导引头过顶跟踪问题上, 抗饱和控制方法是有效的, 它能够在一定程度上抑制过顶跟踪问题。
摘要：滚仰式导引头作为一种新型导引头, 有着大视场、可以实现大离轴角攻击;除此之外它的体积更小, 十分有利于导弹整体设计;因此有着广阔的应用前景。然而, 它本身所具有的过顶跟踪问题 (奇异性) 也一直制约着它在实际中的应用。针对这个问题, 在详细地分析了过顶跟踪问题的原因和实质之后, 给出了采用MRS模型的抗饱和控制方法抑制过顶跟踪的不利影响。仿真结果表明该方法在过顶跟踪控制中是有效的。
关键词：滚仰式,导引头,过顶跟踪,输入饱和
参考文献
[1] 周瑞青, 刘新华, 史守峡, 等.捷联导引头稳定与跟踪技术.北京:国防工业出版社, 2010
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[6] 刘胜, 周丽明.船舶转向静态饱和控制器设计.系统仿真学报, 2009;21 (7) :1983—1985
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问题导引式 篇2
一、创设问题情境，引导有效思维
新课标强调学生的问题意识，有效的教学过程应该是以不断提出问题和解决问题的方式来获取新知识的问题性思维过程，教师要做的是创设合适的问题情境。创设问题情境可以提高学生学习的主动性。例如，在讲授安徒生的《卖火柴的小女孩》，我提出了一个问题：“小女孩悲惨地冻死了，为什么脸上还露出了笑意？”问题涉及作家的悲剧构思和故事深层蕴涵，探讨这个问题，有助于提高学生的问题意识和创造思维。学生就这一问题开展讨论，发言十分热烈。有的说，这是对幸福光明的追求；有的说，这是朦胧的幻觉；有的说，死时的笑更能衬托命运的悲惨„„学生视野开阔了，讨论深化了，课堂情境形成了。
二、解惑释疑，引导探究思维
教师要与学生共同分析，确定教学中应着力解决的问题，从而引导学生去分析、探究，进而自己去解决问题。在教学《中彩那天》一课时，学生提了一个问题：父亲面临的道德难题到底指什么？教师根据学情恰当引导、启发。教学时，我让学生思考：读了课文，你知道了什么？然后引导学生细读课文，探究“道德难题”之难。1.父亲面临的“道德难题”指的是什么？2.为什么难呢？3.文章是怎么写出父亲的“难”的？学生自读自悟，汇报交流。最后学生明白了“父亲面临的道德难题”是指父亲不知道是留下车，还是将车还给库伯。
三、概括总结，引导创新思维
教师要引导学生对学习过程以及所解决的问题进行反思和评价，并提供学法上的指导。学生则要通过归纳与总结，反思自己所提出的问题是否有探究价值。在教学《称象》一课时，让学生课后思考：还可以用什么好方法称出大象的重量？在教学中，要让学生带着问题来，再带着新的问题去，始终有一种探究的精神和毅力，使所有学生在“问题”中发展，在探究中提高。
导引式作文教学例谈 篇3
关键词：作文教学,导引式,实例
一切从语言本质中来, “导引式”作文教学必须遵循文性和人性双重规则, 完成生活和作品的交融过程, 具体表现在以下几个方面:
一.作文情感的导引
任何原始喜好, 都是该领域最具有创造性的源泉, 学生的个人情趣, 直接影响着语言教学的实际效果, 因此, 教师的首要任务是培养学生的语言兴趣, 让他们有写作的欲望, 从而去自觉地收集和掌握材料, 而这种索取材料的过程反过来更加丰富学生的写作热情, 从而更有利于他们的语言成长, 而这种热情的培养不只是单凭枯燥的说教能解决得好的, 它需要教师有独特的人格魅力, 能让学生有接近的意念, 有亲而敬的感受, 需要教师有丰富的语言和较强的文学爱好, 能陶冶学生的情感和文字元素。实际上, 教师往往忘记了作为导引者的原始职能, 总习惯于从教师的角色出发, 逼迫学生摘抄和写作, 包括每日必写的日记和每周必写的周记, 而这些真正作用不大, 因为好多时候学生是不情愿的, 他们摘抄下来的文字自己都不记得, 包括日记也是仿劣品, 而这种局面的出现, 归根到底是一个字“逼”, 如果反过来, 把学生的被动性变为主动性, 效果完全就不一样了, 这个“变”的过程就是导引的过程。比喻说, 给学生足够多的舞台, 让他们当主编、当记者, 发表自己的文章, 让他们举办“个人朗诵会”, “记者招待会”, “名家介绍会”, “创作笔会”等, 允许他们有流派、有团体, 让他们演绎课本剧、生活小品剧, 就算是摘抄, 也该有他们欣赏团, 让他们发现风景, 美化风景, 而教师的原则不变:培养情感, 引导进步。
二.作文个性的导引
任何语言都带有地方和个人色彩, 都与阅读环境、个人经历和个体情感有关。换句话说, 任何具有个性化色彩的文章都有其优秀的一面, 都应该值得肯定。不过, 在当今应试教育和素质教育激烈碰撞的特殊时期, 教师身处这些芜杂的个性化语言当中, 确实应该有所取舍, 但绝对不是否定和打击, 正确的做法应该是引导, 那么到底怎样才能将学生引导到既有个性色彩又符合公众评价的标准上来呢?那就是原道索循。从影响学生的个性化语言的原点出发, 研究其形成规律, 有意识改变其形成环境, 如在班级开办“图书角”, 推荐学生阅读相应作品, 培养他们的阅读习惯, 优化他们的阅读行为。定期开展“名人轶事”交流会, 让学生获得别人才有的有益的人生体验。创办班级刊物, 定期发表优秀作品, 让学生感受到成功的快乐和作品的价值取向。除此之外, 还有两点教师也不容忽视, 一是教师不是独裁式的评论家, 民主式评点作文方式对个体学生有益, 对群体学生同样有益;二是教师的样板作用永远是值得肯定的, 而且力量不可低估, 适时的下水文章对规范班级写作行为、引导学生审美情趣, 都有很重要的作用。
三.作文评价的导引
不同的评价方式一定会产生不同的作文样式, 因此, 教师的评价机制是作文教学中的最重要一环, 在个体的作文中, 无论眉批还是尾批, 作用都是微乎其微, 因为人的思维并不是就事论事能解决得好的, 要想真正做到评价有效, 就必须改变传统的千篇一律的评价模式, 产生有针对性的评价构想, 具体可分为“评价形式”和“评价构成”两部分。评价形式又可分为“群评”和“独评”, “比较评”和“优劣评”。“群评”是将班级当次作文进行分类, 由教师带动学生评价, “独评”是选取个体文章, 让学生带动教师评价。“比较评”是将不同风格的文章放在一起评, “优劣评”是选取“好、中、差”不同层级的文章进行竞评。“评价构成”是评价的具象化, 包括“标题、主题、结构、语言”, 而这些评价的终极效果与教师的个人喜好有关, 因此, 教师和学生是互为主次, 互相带动, 彼此提高的统一体。
问题导引式 篇4
为了克服传统平台的局限, 国内很多单位对滚仰式跟踪平台开展研究, 并有多篇文章发表。其中文献[1]建立了滚仰式平台的稳定和跟踪一体化模型, 并给出如下两组方程:
(1) 稳定方程组:
其中ωbx、ωby和ωbz是平台基座角速度的各轴分量, λi和λo分别是平台的俯仰和滚动框架角。
该文献根据上述方程指出, 当λi=0°时, 滚动框的稳定角速度存在极点, 需要的角速度为无穷大, 即平台存在过顶稳定问题。
(2) 跟踪方程组:
其中εz和εy分别是目标在平台坐标系中俯仰和方位误差角。当λi=0°时, 若取-2°<εz、εy<2°, 则可以得到Δλo和两个误差角之间的关系, 如图1, 显然λi=0°时, 跟踪方程有明显的奇异点, 即平台存在过顶跟踪问题。
最后该文献用Matlab对平台模型进行了仿真研究, 但文中回避了过顶问题。
文献[2][3]进一步分析了滚仰式平台的技术难点, 认为滚仰式平台若要进入工程应用, 必须解决过顶控制问题, 同时必须采取技术措施克服过顶时, 滚动框架高速旋转对目标信号处理带来的不利影响。对如何解决过顶问题, 两份文献提出了一些设想, 但没有给出具体有效的方法。
为了解决滚仰式平台的过顶控制问题, 本文着眼于整个制导武器, 提出了偏置+比例复合导引律。该导引律的核心思想是通过控制制导武器的运动轨迹, 避免平台出现λi=0°的情况, 从而在系统层面上规避 (和解决) 了滚仰式平台的过顶控制问题。
偏置+比例复合导引律把偏置追踪法和比例导引法结合起来;其中比例法是制导武器普遍采用的导引方法, 文本不再详述, 下面主要讨论偏置追踪法, 如图2。
按文献[4], 所谓偏置追踪法就是使制导武器的速度方向和视线R的夹角λ保持一个给定的常值。
假定目标起始坐标为 (0m, 0m) , 速度300m/s, 制导武器起始坐标为 (7000m, -7000m) , 速度500 m s, 速度方向和视线的初始夹角为35°, 给定的常值为5°;建立模型后, 用Matlab仿真, 结果如下:
从右图看出, 轨迹初始段, 速度方向和视线的夹角从35°按控制规律达到给定的常值5°, 并一直保持给定值, 最后完成交汇。因为可以近似地把速度方向认为是制导武器的长轴方向, 所以在整个轨迹中, 受导引律控制的制导武器的轴线和视线的夹角时钟保持一个定值;如果该武器采用滚仰式跟踪平台, 则平台的俯仰框架角始终为不等于0的给定值, 即通过偏置追踪法完全可以规避滚仰式平台 (λi=0°的情况) 过顶控制问题。
继续讨论, 若偏置追踪法的常值为0°, 则偏置追踪法变化为常规的纯追踪法。从这可以看出, 纯追踪法是偏置追踪法的特例, 在弹道特性上, 两者是一样的, 它们的弹道比较弯曲, 需要比较大的过载, 这对减小脱靶量不利;因此需要将偏置追踪法和比例导引法结合起来, 充分利用两种导引方法各自的优势和特点。
当|λi|>给定值时, 制导武器采用比例导引法, 当|λi|≤给定值时, 制导武器按偏置追踪法给出的轨迹进行机动。一般地, 给定的常值可以取5°, 在此条件下, 滚仰式跟踪平台的稳定和跟踪方程中不存在极点或奇异点, 也可以认为控制点离极点和奇异点较远, 不影响平台的稳定和跟踪。
本文提出的方法, 有效地解决了滚仰式跟踪平台的过顶控制问题, 是其进入工程应用成为可能。关于偏置+比例复合导引律的更进一步仿真和分析, 本文不再叙述。
摘要：滚仰式跟踪平台具备很好的应用前景, 但它的过顶控制问题一直没有妥善的解决方法。本文从系统角度出发, 给出了偏置+比例复合导引律, 可以有效地规避滚仰式平台的过顶控制问题, 因此该导引律在工程上具有一定的应用价值。
参考文献
[1]陈雨, 等.滚仰式捷联导引头跟踪原理与仿真[J].航空兵器, 2010 (5) :55-58.
[2]付奎生.两轴捷联稳定跟踪平台关键技术分析[J].电光与控制, 2009 (7) :53-55.
[3]穆学桢, 等.AIM-9X空空导弹位标器新技术分析和评价[J].红外与激光工程, 2007 (1) :9-12.
问题导引式 篇5
自动导向小车(简称AGV[1,2,3])是移动机器人的一种,是现代制造企业物流系统中的重要设备,主要用来储运各类物料,为系统柔性化、集成化、高效化运行提供重要保证。
资料显示:我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚5～6年,但是由于种种原因,工业机器人技术的发展仍比较慢[4]。AGV从上世纪60年代开始研究,上世纪70年代,北京起重运输机械研究所研制成ZDB-1型自动搬运车,上世纪90年代中期,昆船公司在引进国外先进AGV小车的技术基础上,先后承担数十个AGV小车系统的设计、安装以及维护项目,其水平代表了目前国内的最高水平[5]。
西方发达国家经过近一个世纪的研究,AGV小车已进入高智能化、数字化、网络化、信息化的发展道路。到目前为止,全世界已拥有AGV小车系10 000多个,约十万台AGV小车[6]。
综上所述,为了节约用工成本,不少企业开始考虑引进AGV小车产品,但是国内AGV小车的价格一台就要7万元～8万元,价格太高,如:深圳市佳顺伟业科技有限公司生产的SMT专用AGV,售价8万元;上海竞舸自动化科技有限公司生产的潜入式AGV01,售价8.5万[7]。为了降低AGV小车的价格,降低企业成本,实现高效、安全运输,开发经济型工业用途的AGV小车是必要的。
基于上述原因,本研究提出成本不超过1万元的经济型AGV小车的设计方案。其思路包括:①硬件上采用价格低技术成熟的电动轮椅用电机、减速器,控制系统,传感器利用飞思卡尔智能车大赛中价格适中、技术成熟的有关配件;②控制策略设计上,在现有算法的基础上提出具有简单、实用优点的偏差累计算法[9]。
1 AGV车身结构设计
光电导引式AGV车身上主要包括:车架的上下层钢板、后轮、立柱、控制器箱体、光电传感器、直流电机、万向轮、电池、超声波避障传感器。
1.1 后轮、直流电机和光电码盘
小车的左、右后轮和光电码盘都安装在直流电机轴上,并且光电码盘安装在直流电机和后轮之间。小车的后轮与电机轴通过平键连接,光电码盘则通过粘胶剂粘在后轮中间部位。小车的前进与转弯是通过控制两个直流电机转速的。前面两个万向轮仅起支撑作用。
1.2 上、下层钢板及立柱
小车下层钢板的设计是为了安装与固定后面直流电机和前面的万向轮,下层钢板底部安装有光电传感器和避障传感器,并且下层钢板顶部安装有控制器箱体。下层钢板与上层钢板之间用4个立柱连接固定,立柱与上、下层钢板通过螺纹连接。上层钢板上安装了一个电池安装槽,这个安装槽用来固定电池。上层钢板上除了安装电池安装槽外,不再安装其他装置,以留出空间用来装运货物。
1.3 光电传感器和避障传感器
小车的光电传感器安装在底层架子上,避障传感器安装在AGV前段,两者都采用螺栓和螺母固定。光电传感器与后轮在纵向有段距离,即前瞻距离,使小车后置左电机和右电机有一定的反应时间。如果前瞻不够,则会使小车的转弯出现滞后现象。避障传感器安装在小车前段是为了实现小车避障的功能,当有障碍物阻挡小车前进方向时,利用超声波测距原理可有效避免碰撞。
1.4 电 池
小车的电池安装在电池卡槽中。该结构的优点是:避免电池因安装不牢固而损坏,并有利于电池充电,易于更换新电池。
2 硬件电路设计
硬件电路模块部分包括:MCU主控制器、D/A转换、光电码盘、避障传感器、光电传感器等主要模块。
2.1 MCU主控制器模块
MCU主控制器选用的是飞思卡尔系列的MC9S12XS128MAL芯片。该芯片是增强型的16位MCU,片上资源丰富,功能模块包括SPI、SCI、I2C、CAN、A/D、PWM、Timer等,方便构建实际应用系统;大容量的Flash、RAM和EEPROM(Data Flash)存储器可满足大部分的存储器空间需求,具有低功耗、低电压检测复位与中断、复位控制、看门狗及实时中断等功能;可根据实际工作需要选择时钟频率,最高总线工作频率达40 MHz;该MCU具有方便快捷的在线编程调试能力、丰富的指令系统、较强的数值运算和逻辑运算能力。
2.2 D/A转换模块
在控制电路中,需要给电机控制器输入一组模拟电平以实现控制左右电机转速的目的。为了让MCU输入的数字电压信号转换成精确的模拟电压信号,本研究采用的D/A转换模块如图1所示[10]。
图1中,U6、U10、U11分别是DAC0832芯片、LM358芯片、2 K电位器的原理图。
其中,DAC0832是采样频率为8位的D/A转换芯片,集成电路内有两级输入寄存器,使其具备双缓冲、单缓冲和直通3种输入方式,且精度能达到1/256。
DAC0832芯片转换的工作原理图如图2所示。
图2中,DAC0832由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。运算放大器输出的模拟电压V0为:
式中:VREF—基本电压值,由芯片管脚VREF给定。
由上式可见,输出的模拟电压与输入的数字电压(Dn-1·2n-1+…+D0·20)成正比,调节飞思卡尔MC9S12XS128MAL芯片端口的高低电平可改变D/A转换模块电平,从而调节输出的模拟电压的大小。
由于DAC0832的D/A转换结果采用电流形式输出,需要相应的模拟电压信号,必须外接一个高输入阻抗的线性运算放大器来实现。
LM358内部包括两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器,将DAC0832与LM358中的一个运算放大器相连,能得到相应的模拟信号。但是,实验所得的模拟信号是负电压,而且电压值偏小,再通过LM358的另一个运算放大器,实现电压值“翻转”,并通过2 K电位器,调节电压大小。
LM358适合于电源电压范围很宽的单电源工作模式,也适用于双电源工作模式。该设计采用的是双电源工作模式,需要为LM358芯片提供±9 V电压。
为了得到LM358工作所需的-9 V电压,本研究采用ICL7600芯片,它是MAXIM公司生产的小功率极性反转电源转换器,输入电压范围是1.5 V～10 V,能把+9 V转换为-9 V,为LM358芯片供电。
2.3 光电传感器模块
光电传感器利用光的漫反射原理进行工作。在电路设计过程中,因为光电传感器反馈的信号电压是0～24 V,而单片机能检测的电压是0～5 V,须增加一个光耦将光电传感器0～24 V的输入电压转换成0～5 V的电压。经测试,该光电传感器工作性能良好。
2.4 超声波避障传感器模块
超声波避障传感器[11]工作时序图如图3所示。
超声波模块的工作原理:采用I/O触发测距,当输入至少10 μs的高电平信号时,该模块会自动发送8个40 kHz的方波,自动检测是否有信号返回,当有信号返回时,通过I/0端口输出一高电平,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测距公式为:距离=(高电平时间×声速(340 m/s))/2。
3 软件设计
软件设计时,首先结合机械结构、硬件电路,绘制出程序流程图;然后,利用Metrowerks公司为MC9S12系列专门提供的全套开发工具Freescale CodeWarrior IDE V5.1软件编写C语言程序代码,并进行编译与调试。
3.1 CodeWarrior IDE编译环境
本研究利用CodeWarrior IDE V5.1软件提供的C语言集成开发环境实现AGV小车软件开发设计。
CodeWarrior的功能强大,除了一般开发工具所具有的编码、编译、编辑、链接、调试过程外,还具有如下优点:用户可在新建工程时将芯片的类库添加到集成开发环境中,工程文件一旦生成就是一个最小系统,并且用户无需进行繁琐的初始化操作,这一点正是51系列单片机无法比拟的。
3.2 控制程序流程图
除了显示小车实时信息的液晶显示程序、避障程序外,由于小车是采用左、右电机分别驱动,还需要设计小车稳定直线行驶与转弯的控制算法,并编写相应的程序代码。
综合上述因素,本研究绘制的光电导引式AGV控制程序流程图如图4所示。
图4中,光电码盘的作用是保证小车稳定地直线行驶,当左、右光电码盘上测量的栅格数不同时,将会使小车小幅转弯;光电传感器的作用是保证小车顺利转弯,当左、右光电传感器感应到黑胶带后,将会使小车大幅转弯。避障部分采用定时中断,因为规定的避障距离是1 m,通过超声波测距公式,算出测1 m距离所需时间为5.9 ms,所以设定避障传感器每隔8 ms工作一次可达到测试要求;并且8 ms延时不通过“Delay”延时函数实现,而采用多次主循环累计实现,以缩短执行一次主循环所用的时间,提高控制效率。
3.3 程序编写
为使小车稳定直线行驶,需通过控制左右电机速度的增减以抵消左右电机之间的微小速度偏差。为了实现上述目的,本研究设计了一个基于偏差累积的算法。实现该算法的程序代码如下所示:
上述程序中,A与B分别代表左、右光电码盘转过的光栅数,如果A=B,左右光电码盘通过的光栅数相等,说明小车左、右后轮的速度相同。当(B-A)>2,则右光电码盘转过的光栅数大于左光电码盘转过的光栅数,说明右轮的速度大于左轮的速度,需通过小幅右转来调节以使小车保持直线行驶;对于(A-B)>2的情况,可依此类推。
4 现场实验和调试
为了验证小车能够稳定地沿着黑胶带行走,本研究通过在实验室地面上粘贴黑胶带的方式进行现场实验测试。
光电导引式小车及实验场地如图5所示。
图5中,小车的上表面除了安装一个电池盒用于存放电池外,其他平整表面部分用于装运货物。经过现场测量,小车上表面与地面的平行度保持良好。
为了控制小车直线行驶或转向,本研究需要向控制器输入两组模拟电压,此处定义为黄线电压和绿线电压。通过实验,分别测得了多组黄、绿线电压值下左、右电机(前进方向为准)的转速值,如图6、图7所示。
如图6所示,从实验测试数据获得的拟合曲线可知,左电机转速大部分稳定在0.5 m/s,并且绿线电压值大部分在3.3 V～3.5 V之间,黄线电压值大部分在2.4 V～2.6 V之间。为了使小车直线行驶,需输入连续数据点代表的电压值,而为了使小车转向,则需输入离散数据点代表的电压值。
图7中的曲线规律与图6相似,通过与图6相同的分析方法可获得右电机稳定工作的控制电压值。
5 结束语
基于飞思卡尔芯片控制技术,本研究开发了光电导引式AGV小车。实地测试结果表明,小车性能总体上达到了预期指标。同时,笔者提出的偏差累积控制算法在小车行驶过程控制中获得了良好的应用,为以后的研究提供了重要参考依据。
在后续研究中,将在工厂车间开展小车测试,检验小车在更为复杂的路面条件下的性能;同时,该小车现阶段尚未安装蓝牙模块,无法实现对小车的远程控制,为了弥补该不足,笔者计划在后续的项目中增设蓝牙模块,以实现对小车的远程控制。
摘要：针对目前国内自动导引运输车(AGV)体积大、价格贵的问题,在技术成熟的“飞思卡尔”智能汽车竞赛和价格低廉的电动轮椅车的基础上,设计了一款基于“飞思卡尔”MC9S12XS128MAL微处理器控制的经济型光电导引式AGV系统。在试验台上对超声波传感器进行了测试,确定了紧急情况下的避障距离;采用光电码盘测速,由液晶模块显示出AGV的实时速度;同时结合无刷直流电机驱动原理,提出了基于偏差累积算法的控制方法,实现了差动方式的无刷直流电机驱动AGV直线行驶和转弯的功能,最后通过实验验证了该控制方法的有效性。研究结果表明,此AGV系统响应迅速、运行稳定,很好地实现了AGV的自动控制。
关键词：自动导引运输车,MC9S12XS128MAL芯片,光电导引,超声波避障
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问题导引式 篇6
一、创设问题情境, 激发学生学习兴趣
教学过程中教学情境的建立能够有效地激发学生的学习兴趣, 能够有效地提高课堂教学的教学效率。同样在高中化学教学中应用问题引导教学模式时, 问题情境的建立也能够有效地促进问题引导教学模式教学效率的提升, 提升高中化学课堂教学效率。高中化学是一门与日常生活联系十分紧密的学科, 生活中的许多日常现象都与化学知识有关。在进行教学的过程中结合生活实际问题, 创设问题情境, 以生活中的一些常见现象为切入点设置相应的问题情境, 不但能够激发学生的学习兴趣, 还能够有效地将理论知识与实际问题相结合, 提高学生对化学知识的运用能力。例如教师在进行高中化学教材必修一中《物质的分类》中胶体的性质这一知识点的讲解时, 教师可以结合生活实际现象构建问题情境, 如“生活中, 我们将淀粉溶解在热水中, 然后加热煮沸, 就熬成了汤, 可以较长时间稳定地存在;而向豆浆里加入石膏, 就变成了豆腐, 是什么原因呢?黄河里的水奔腾不息, 为什么泥水就不变清呢?在灯光下, 有雾的夜晚, 为何显得更加明亮。今天我们重点先来研究胶体的性质。”从而引入胶体性质的教学。
二、控制问题难度, 合理设置引导问题
教师在高中化学教学中应用问题引导教学模式时, 引导性问题的设置是关键, 如何选取难度合适, 针对性较强的引导性问题是问题引导教学模式成功与否的关键。许多教师在进行问题引导教学的过程中往往缺乏经验, 所设置的引导性问题要么过难要么过易, 在教学过程中引导性问题并没有起到引导的作用, 并没有有效地帮助学生学习新知识, 反而无形中为学生构建了一道障碍, 阻碍了学生的学习, 非但没有有效地提升课堂教学效率, 反而浪费了课堂时间, 降低了课堂教学的教学效率。因此, 教师在高中化学教学中应用问题引导教学模式时, 一定要以学生的实际学习基础情况为依据, 根据学生的学习基础去制定合适的引导性问题, 问题的难度既不能够过难也不能够过易, 最好要落在最近发展区。例如教师在进行高中化学教材中《硫酸、硝酸和盐酸》的教学时, 教师可以设置引导性问题“硫酸、硝酸和盐酸是我们常说的三大强酸, 它们在组成上有什么特点, 有什么相似的性质, 又有那些不同的性质?”, 通过引导性问题, 引入新课程的教学。
三、以问题为中心, 采取设疑解疑模式
问题导引教学模式的关键在于以问题为中心, 教师在进行问题引导教学模式的过程中要做到以问题为中心, 采取设疑解疑的教学模式, 通过问题的设置与解决引导学生完成教材知识内容的学习。教师在进行高中化学课堂教学时, 可以根据教学的重难点设计相应的导引问题, 通过提出问题的方式活跃学生的思维, 调动学生的积极性, 让学生真正地参与到课堂教学中来, 充分发挥出学生在学习过程中的主体地位, 提高课堂教学的有效性。具体而言, 教师在设置问题时可以采用并列式或者是递进式的问题串, 以问题串的方式引导学生学习新知识。这种教学模式不但能够有效地激发学生的求知欲望, 提高学生的学习主动性, 还能够更好地锻炼学生思考问题、分析问题、解决问题的能力, 有利于学生高中化学成绩的长久提升。例如教师在进行高中化学教材必修一中《氯水》这一章节的教学时, 教师可以以问题为中心, 设置问题串如“新制氯水的成分是什么?氯水见光分解, 氯水中什么物质可以分解放出氧气?为什么?当氯水放在强光下长时间放置时, 氯水的颜色有什么变化?组成上有什么变化?为什么?”, 引导学生进行氯水这一章节的知识学习。
四、设置总结问题, 巩固知识网络结构
许多学生在进行高中化学学习时都会认为高中化学知识点过于杂乱, 对于高中化学知识点存在记不牢、记不住等现象。这些现象之所以会发生, 在很大程度上是由于教师在高中化学的教学过程中缺乏知识归纳总结环节, 总是按照教材顺序完成了教材中知识点的讲解后就结束了教学过程, 并没有及时有效地引导学生对教材中的知识点进行归纳总结, 缺少有效地课后反馈环节。因此, 教师在化学教学中应用问题导引教学模式时可以在每节课或者是每个章节的教学完成后设置一些总结性的问题, 通过引导学生回答问题, 巩固学生对知识的记忆, 引导学生及时对所学知识进行归纳总结, 从而帮助学生建立知识网络。这样不但能够有效地加强学生对知识点的理解水平, 还有利于强化学生对知识点的记忆, 提高学生对知识点的灵活运用能力, 有利于学生学习效率的提升。例如教师在进行《生活中两种常见的有机物》中“乙酸”的教学时, 教师在进行完这一章节知识点的教学后, 可以设置归纳总结性问题“乙酸的化学结构是怎样的?乙酸含有何种官能团?乙酸都具有哪些化学性质?乙酸的具有酸性, 那么乙酸的酸性强弱如何?哪些反应和实验事实能够证明乙酸具有酸性?乙酸、亚硫酸、碳酸的酸性的相对强弱如何?什么叫做酯化反应?”, 通过归纳总结问题巩固学生知识网络。