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摘要：LED屏幕已成为一种在现实生活中广泛应用的显示工具，特别是大型晚会中使用的扇形显示器更是为现场增添了很多气氛，但是，现有的LED显示工具多数都是在一维静态显示，其形式相对比较固定。为了弥补显示形式单一化的缺点，设计了一种以四连杆机械结构为基础的扇形显示器，有效地解决了四连杆机械结构摆动速率不恒定所带来的LED显示不清晰等问题。
关键词：四连杆机械结构；速率自适应；LED
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）11-0035-03
以往的速率自适应算法可归纳为对受控物体的鲁棒性进行速率的自适应调整控制，但是，这种方法并不适合用于扇形显示器的显示，因此提出了一种新的研究方法——一种以四连杆为研究载体的速率自适应控制法。该方法研究并不是通过改变电机转速来控制从动杆的速率，而是在确定的电机转速基础上来控制从动杆上LED条（下文有介绍）在摆动过程中每隔一定间隔时间的显示延时，不同的速率对应的延时不一样，从而使得LED动态显示的图案或文字变得清晰。
控制模块通过控制电机的转动速率，从而控制了四连杆机构的从动杆以扇形方式来回摆动的速率。LED条带依附于从动杆，当从动杆摆动的速率变化的同时，LED条带的摆动也随之而改变，而四连杆从动杆的摆动速率——时间曲线并不规则，呈严重的非线性变化，且在一个周期内速率值的峰值与最小值之间跨度很大（下面有解释），这会给LED条带的清晰显示带来麻烦，易造成画面拖影或急速闪过以至于无法正常显示等现象。对此，提出一种新的速率自适应算法，有效地解决了显示不清晰的问题。
2 机械结构模块
2.1 四连杆结构
C点运动速度呈周期性变化，且速率值的变化幅度很大，取值范围0—150mm/sec。但是四连杆的机构特性带来的C点速度变化幅度大的特点将使得LED条带的显示内容可能会出现压缩、影像混叠等现象，LED条出现显示清晰度不高、模糊等现象，如何解决这个问题是一个研究重点。
相对于已有的研究速率自适应的算法而言，已有的算法着重是对被控物体的鲁棒性的研究，在算法的实现上相对比较复杂繁琐，电机的转速转向不断的改变，对电机的损害极大，且速率自适应效果也不是很理想。新的自适应算法则是在保证电机匀速朝一个方向转动时，直接对LED条带的显示停留时间进行控制，这种控制对电机的损害几乎可忽略不计，且显示不清晰的问题也得到了解决。
3 控制模块
3.1 速率自适应算法分析
控制模块主要是由51单片机实现，主要实现两方面功能：一是实现单片机对LED的显示控制；二是实现单片机对电机的转速、转向的控制。速率自适应实质表达的是对于摆杆摆动的任意速率，无论是快或者慢，都能够通过LED条带清晰的显示出单片机所设定的内容。
对于延时的准确延时长短在文中将提出一种专门的控制方法。模糊PID算法主要通过对被控物体的P参数（比例），I参数（积分）以及D参数（微分）的控制来实现项目预期的效果，这套延时算法也可以借用模糊PID算法控制方法，将延时量delay_t作为控制参量，通过对不同采样点的延时参数加以调试，最终便可找到一组最佳延时，使得LED条带的显示清晰度达到最佳状态。此过程的调试如同调试PID参数，需要不断地尝试，以及经验的累积，才会更快速、更有效地达到目的。
LED条旋转动态显示是基于四连杆机构，当电机带动四连杆的A点转动时，其转动轨迹固定。已知了C点的速率——时间图像，便可根据图像中速率最低点确定一个单位计数值T0，实现摆杆从开始摆动到一个周期的计数，计数间隔为T0，再根据不同速率点配置不同的软件延时，则显示出来的画面则是无论电机带动的速度快或者慢，LED条带显示都很清晰，也就实现了速率自适应。其原理可用图5所示。
3.2 实验结果与分析
在电机保持转向、转速不变的条件下，若没有使用速率自适应算法控制，根据四连杆机构的特性，LED条带显示的内容出现了拖影、压缩等现象，单片机控制LED条带显示“LVE”的图案4 结语
文中提出了一种基于新型速率自适应算法的扇形LED显示器。这类扇形LED显示器相对于长方形形状的LED显示器具有独特的显示效果。可以广泛用于各种聚会现场增添气氛。控制LED显示器的速率自适应算法的理论平台是基于一种四连杆机构，由四连杆机构的特殊性造成了从动杆的转动速率——时间图像呈严重非线性，且峰值与最小值之间跨度大，而基于从动杆上的LED条带随从动杆的摆动过程显示的文字图案也就会出现拖影、压缩等问题。这种速率自适应算法利用图像采样和软件延时技术很好的解决了上述问题，且这种机构的特性能够很好的维护电机，让电机朝一个方向匀速转动。而且这套算法主要依靠经验调试，相对于PID算法控制而言，远远降低了复杂度，可操作性强。并且由实验可知，这套算法还可以推广到其他具有特殊机械结构的控制方面。
参考文献
[1] 刘龙，黎炯宏.基于MATLAB的平面四连杆机构
运动仿真[J].机电工程技术，2013，（6）.
[2] 韩凤霞，胡登高，范讯.液压支架四连杆机构的三
维建模和运动仿真[J].煤矿机械，2006，（9）.
[3] 潘丰；顾蕊.一类不确定非线性系统的鲁棒自适
应控制[J].东南大学学报（自然科学版），
2005，（S2）.
[4] 张心心，唐玉蓬.基于单片机的摇摇棒硬件控制
系统设计与实现[J].电子技术与软件工程，
2013，（8）.
[5] 周志刚，简献忠.基于模糊PID算法的转速控制系
统的研究[J].微计算机信息，2007，（6）. [6] 彭伟发.带宽时变高速通信网络的鲁棒控制[J].
电力系统及其自动化学报，2006，（3）.
[7] 彭辉燕；黄炜.HHT在高频周期抖动分解中的研
究[J].通信技术，2010，（7）.
[8] 杨秋兰.专家PID控制在微型精密恒温槽中的应用
研究[J].价值工程， 2010，（17）.
[9] Morteza Esfandyari，Mohammad Ali Fanaei，Hadi
Zohreie.Adaptive fuzzy tuning of PID controllers.
Neural Computing and Applications， 2013， Vol.
23 （1）， pp.19-28
[10] Jin-Ho Ahn.Implementation of an LED tile
controller for high-quality image display.
Displays， 2013， Vol.34 （1）， pp.17-26
[11] Khamis， M.A.Adaptive multi-objective
reinforcement learning with hybrid exploration for
traffic signal control based on cooperative multi-
agent framework.
[12] Farooq. Contiki-based IEEE 802.15.4 node's
throughput and wireless channel utilization analysis.
[M].Wireless Days （WD）， 2012 IFIP，2012.
基金项目：本文系西南科技大学大学生创新基金项目（项目编号：CX13-054）研究成果。
作者简介：龙玲丽（1991—），女，四川巴中人，西南科技大学信息工程学院生物医学工程专业学生，研究方向：数字信号处理。
关键词：四连杆机械结构；速率自适应；LED
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）11-0035-03
以往的速率自适应算法可归纳为对受控物体的鲁棒性进行速率的自适应调整控制，但是，这种方法并不适合用于扇形显示器的显示，因此提出了一种新的研究方法——一种以四连杆为研究载体的速率自适应控制法。该方法研究并不是通过改变电机转速来控制从动杆的速率，而是在确定的电机转速基础上来控制从动杆上LED条（下文有介绍）在摆动过程中每隔一定间隔时间的显示延时，不同的速率对应的延时不一样，从而使得LED动态显示的图案或文字变得清晰。
控制模块通过控制电机的转动速率，从而控制了四连杆机构的从动杆以扇形方式来回摆动的速率。LED条带依附于从动杆，当从动杆摆动的速率变化的同时，LED条带的摆动也随之而改变，而四连杆从动杆的摆动速率——时间曲线并不规则，呈严重的非线性变化，且在一个周期内速率值的峰值与最小值之间跨度很大（下面有解释），这会给LED条带的清晰显示带来麻烦，易造成画面拖影或急速闪过以至于无法正常显示等现象。对此，提出一种新的速率自适应算法，有效地解决了显示不清晰的问题。
2 机械结构模块
2.1 四连杆结构
C点运动速度呈周期性变化，且速率值的变化幅度很大，取值范围0—150mm/sec。但是四连杆的机构特性带来的C点速度变化幅度大的特点将使得LED条带的显示内容可能会出现压缩、影像混叠等现象，LED条出现显示清晰度不高、模糊等现象，如何解决这个问题是一个研究重点。
相对于已有的研究速率自适应的算法而言，已有的算法着重是对被控物体的鲁棒性的研究，在算法的实现上相对比较复杂繁琐，电机的转速转向不断的改变，对电机的损害极大，且速率自适应效果也不是很理想。新的自适应算法则是在保证电机匀速朝一个方向转动时，直接对LED条带的显示停留时间进行控制，这种控制对电机的损害几乎可忽略不计，且显示不清晰的问题也得到了解决。
3 控制模块
3.1 速率自适应算法分析
控制模块主要是由51单片机实现，主要实现两方面功能：一是实现单片机对LED的显示控制；二是实现单片机对电机的转速、转向的控制。速率自适应实质表达的是对于摆杆摆动的任意速率，无论是快或者慢，都能够通过LED条带清晰的显示出单片机所设定的内容。
对于延时的准确延时长短在文中将提出一种专门的控制方法。模糊PID算法主要通过对被控物体的P参数（比例），I参数（积分）以及D参数（微分）的控制来实现项目预期的效果，这套延时算法也可以借用模糊PID算法控制方法，将延时量delay_t作为控制参量，通过对不同采样点的延时参数加以调试，最终便可找到一组最佳延时，使得LED条带的显示清晰度达到最佳状态。此过程的调试如同调试PID参数，需要不断地尝试，以及经验的累积，才会更快速、更有效地达到目的。
LED条旋转动态显示是基于四连杆机构，当电机带动四连杆的A点转动时，其转动轨迹固定。已知了C点的速率——时间图像，便可根据图像中速率最低点确定一个单位计数值T0，实现摆杆从开始摆动到一个周期的计数，计数间隔为T0，再根据不同速率点配置不同的软件延时，则显示出来的画面则是无论电机带动的速度快或者慢，LED条带显示都很清晰，也就实现了速率自适应。其原理可用图5所示。
3.2 实验结果与分析
在电机保持转向、转速不变的条件下，若没有使用速率自适应算法控制，根据四连杆机构的特性，LED条带显示的内容出现了拖影、压缩等现象，单片机控制LED条带显示“LVE”的图案4 结语
文中提出了一种基于新型速率自适应算法的扇形LED显示器。这类扇形LED显示器相对于长方形形状的LED显示器具有独特的显示效果。可以广泛用于各种聚会现场增添气氛。控制LED显示器的速率自适应算法的理论平台是基于一种四连杆机构，由四连杆机构的特殊性造成了从动杆的转动速率——时间图像呈严重非线性，且峰值与最小值之间跨度大，而基于从动杆上的LED条带随从动杆的摆动过程显示的文字图案也就会出现拖影、压缩等问题。这种速率自适应算法利用图像采样和软件延时技术很好的解决了上述问题，且这种机构的特性能够很好的维护电机，让电机朝一个方向匀速转动。而且这套算法主要依靠经验调试，相对于PID算法控制而言，远远降低了复杂度，可操作性强。并且由实验可知，这套算法还可以推广到其他具有特殊机械结构的控制方面。
参考文献
[1] 刘龙，黎炯宏.基于MATLAB的平面四连杆机构
运动仿真[J].机电工程技术，2013，（6）.
[2] 韩凤霞，胡登高，范讯.液压支架四连杆机构的三
维建模和运动仿真[J].煤矿机械，2006，（9）.
[3] 潘丰；顾蕊.一类不确定非线性系统的鲁棒自适
应控制[J].东南大学学报（自然科学版），
2005，（S2）.
[4] 张心心，唐玉蓬.基于单片机的摇摇棒硬件控制
系统设计与实现[J].电子技术与软件工程，
2013，（8）.
[5] 周志刚，简献忠.基于模糊PID算法的转速控制系
统的研究[J].微计算机信息，2007，（6）. [6] 彭伟发.带宽时变高速通信网络的鲁棒控制[J].
电力系统及其自动化学报，2006，（3）.
[7] 彭辉燕；黄炜.HHT在高频周期抖动分解中的研
究[J].通信技术，2010，（7）.
[8] 杨秋兰.专家PID控制在微型精密恒温槽中的应用
研究[J].价值工程， 2010，（17）.
[9] Morteza Esfandyari，Mohammad Ali Fanaei，Hadi
Zohreie.Adaptive fuzzy tuning of PID controllers.
Neural Computing and Applications， 2013， Vol.
23 （1）， pp.19-28
[10] Jin-Ho Ahn.Implementation of an LED tile
controller for high-quality image display.
Displays， 2013， Vol.34 （1）， pp.17-26
[11] Khamis， M.A.Adaptive multi-objective
reinforcement learning with hybrid exploration for
traffic signal control based on cooperative multi-
agent framework.
[12] Farooq. Contiki-based IEEE 802.15.4 node's
throughput and wireless channel utilization analysis.
[M].Wireless Days （WD）， 2012 IFIP，2012.
基金项目：本文系西南科技大学大学生创新基金项目（项目编号：CX13-054）研究成果。
作者简介：龙玲丽（1991—），女，四川巴中人，西南科技大学信息工程学院生物医学工程专业学生，研究方向：数字信号处理。