基于物联网技术的智能定量密封装置

杨龙，程豪，姚清馨

摘要：针对传统密封装置存在工作时密封性差、运行不稳定等问题，设计了一种基于STM32和OV7670的图像采集定量密封辅助装置。设计以STM32F103C8T6微控制器为主控单元，采用串行摄像机控制总线（SCCB）控制OV7670图像传感器输出RGB565，QVGA的图像数据，最终图像数据及姿态监测数据进行输出。实验结果表明：得到的电机输出稳定，且该系统具有低成本、低功耗、小体积等优点，可满足常用定量密封装置的需要。

关键词：STM32;0V7670;图像采集;姿态检测

0引言

密封装置，就是用于防止流体或固体微粒从相邻结合面间泄漏或防止外界杂质如灰尘与水分等侵入机器设备内部的部件或部件的组合。

本设计引入物联网与电力电子技术，对于震动较大物体具有极强的自恢复能力。设备的工作行为与倒立摆有很大的相似性，属于同轴平行布置的结构，整体检测设备重心位置在支点上方。震动物体是自然不稳定体，为高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合系统，在非控制状态下，其不能保持自身稳定。国内外很多学者对于非线性不稳定系统进行了研究，设计了状态反馈控制器（LQ），实现了对不稳定系统的定量控制，针对震动这一现象，提出一种新型控制方法。应用卡尔曼滤波融合陀螺仪和加速度计输出的信号，补偿了陀螺仪输出角速度的随机漂移误差，得到密封装置的最优估计，同时引入摄像头，对震动状态进行比对分析，有利于定量系统的精确控制。

1智能定量密封装置的基本原理与数学模型

1.1非线性震动数学模型

将震动中心简化成重心高度为L、质量为m的简单倒立摆，放置在可左右移动的电机上。假设震动干扰引起设备产生角加速度x(t)。沿着垂直于底盘方向进行受力分析，可以得到倾角与设备运动加速度a(t)与外力干扰加速度x(t)之间的运动方程。

此时，系统的传递函数为：

通过根轨迹图可以清晰地看出，此时系统传递函数的极点都已经分布在了左半平面，只要参数适合，极点的位置将会进一步远离0点，系统将会更稳定。

由此可以得出结论，震动在，时可以稳定。

1.2控制器原理

当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量系统需要控制的变量，与期望值相比较用这个误差纠正调节控制系统的响应。在工程实际中应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成·其输入e(t)与输出u(t)的关系为：

2主要控制元器件及模块

2.1姿态检测系统

定量密封装置不同于传统密封设备，设备本身就是一种本质不稳定的非线性系统。需要不断调整自身角度，以实现动态平衡。因此需要实时检测自身倾角，再进行合理调整，就可以实现动态平衡，因而姿态检测成为控制震动幅度的关键。

惯性导航是依据牛顿惯性原理，利用惯性元件来测量运载体本身的加速度，经过积分和运算得到速度和位置，从而达到角度、角速度、位置等姿态检测的目的。其工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统

2.2基于SCCB总线摄像头

本系统采用QVGA(320×240)模式、RGB565格式输出图像数据，每帧图像240行，每行320个像素。图像数据通过一个FIFO芯片(AL422B)进行缓存，从OV7670存储图像数据至FIFO的过程为：等待VSYNC帧同步信号+复位FIF0写指针→使能FIFO写→等待第二个VSYNC帧同步信号→禁止FIFO写，通过以上5个步骤便完成了一帧图像的缓存。完成帧缓存后需要将图像数据从FIFO读出，其过程为：复位FIFO读指针→给FF0读时钟→读第一个像素高字节→给FIF0读时钟→读第一个像素低字节并将高低字节组成16位数据→给FIF0读时钟→循环读取剩余像素至结束，通过以上步骤便可获取一帧完整的图像数据，之后可进行图像显示或暂存到外部SRAM中。

2.3蓝牙无线通讯模块

定量密封装置可以通过无线方式和上位机或者手机进行通讯，实现远程检测装置运行。本设计采用的是蓝牙模块JDY-31，此模块波特率可变，串口电压为3.3V或者5V，可以进行主从机切换，并且可以通过AT指令改变一些出厂的基本设置，如名字和密码等。JDY-31主要用来接收上位机发送的指令，接收到之后，把指令通过串口发送给主控芯片，再由单片机控制电机并检测当前状态。

3.基于物联网技术的智能定量密封装置软件设计

系统程序的主要功能有：

①陀螺仪、加速度计和光电码盘数据的采集；

②控制器输出PWM波给电机；

③定量装置的防震控制；

④上位机监控、参数设定；

⑤图像采集以及震动判断；

⑥卡尔曼滤波算法进行姿态最优估计。

系统的软件设计流程图下所示。

整体软件设计

4定量密封装置的运行测试与数据分析

将互补滤波所得准确数据和PID算法有机结合，将程序中偏移参数设置为0，调节控制算法表达式中角度调节系数Kp、Ki、Kd，设备将有效减免震动，实现了附着设备的静态平衡。

滤波后，滤波器高通滤波系数a=0.99时，可以有效消除陀螺仪累积误差和加速度计噪声误差。滤波后角度误差在0.5以内，滤波算法既可以保留角速度积分值平滑稳定的优点，又能够使积分值跟踪到加速度计所得的角度值，输出稳定准确。测试表明，互补滤波算法具有较强的实用性。、

5结束语

针对具有非线性、不确定和强耦合特性的定量系统，研究了互补滤波算法在其姿态控制过程中的应用方法。32位单片机作为主控芯片设计了一套自调节系统，验证了互补滤波算法在姿态控制中的可行性，同时结合图像识别技术、蓝牙通讯，很好地实现了物联网下密封装置的静态平衡和动态平衡。