风力摆控制系统（B题） - 图文

风力摆控制系统（B题）

摘要

本系统由STM32单片机控制模块、姿态采集模块、风力摆模块、液晶显示模块、人机交互系统以及风力摆机械结构组成。MPU6050 采集风力摆姿态角，单片机处理姿态角数据后通过PID精确算法调节直流风机以控制风力摆。本系统实现了风力摆在仅受直流风机为动力控制下快速起摆、画线、恢复静止的功能，并能准确画圆，且受风力影响后能够快速恢复画圆状态，具有很好的鲁棒性。另外，本系统具有良好的人机交互界面，各参数及测试模式可由按键输入并通过液晶显示，使得测试时操作更加方便。

关键词： 姿态采集 STM32单片机 PID算法 人机交互

1、 方案论证

本风力摆控制系统主要包括单片机控制模块、电源模块、姿态采集模块、风力摆模块、液晶显示模块、人机交互系统以及风力摆机械结构组成。风力摆由万向节连接碳杆再连接风机组成。位于碳杆最下方的姿态采集模块不断采集风力摆当前姿态角，并返回单片机。单片机控制液晶显示姿态角数据并处理数据后通过控制 PWM波占空比控制风机转速，实现对风力摆的控制。本系统结构框图如图1所示。

姿态采集模块 单片机系统 风力摆模块 人机交互系统 液晶显示模块 图1 系统结构框图

1.1 风力摆运动控制方案的选择与论证

方案一：采用2只直流风机作为动力系统。采用2只风机并排同向而立，分别位于摆杆两侧，通过控制风机转速控制风力摆使激光笔画线画圆。此方案风力摆负载轻，但风力摆摆动过程中状态微调和施加阻力使之快速静止不易实现。

方案二：采用3只直流风机作为动力系统。三只风机为等边三角形三边，相背而立，互成120°夹角。此方案相对于方案二在控制风力摆转动过程中状态微调方面有提升，但自成三角形，相邻两风机夹角过大，依旧不利于精确控制风力摆状态。

方案三：采用4只直流风机作为动力系统。四只风机相背呈正方体四周站立。通过控制四只风机转速控制风力摆当前状态。此方案风力摆负载最重，但对于控制风力摆状态最为精确，且动力最足。

综合上述比较，考虑系统的快速工作以及精确控制，本系统采用方案三，使用四只空心杯电机接螺旋桨制成的直流风机作为动力执行系统。

1.2 角度测量方案的选择与论证

方案一：选用双轴倾角传感器模块LE-60-OEMLE-60-OEM，测量重力加速度变化，转为倾角变化，可测量双向。具有稳定性高、低功耗、结构简单等优点。但响应速度为只有5Hz，只可以测量风力摆与水平方向的夹角。且操作复杂，软件处理难度大。

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方案二：采用三维角度传感器MPU6050。MPU6050采样频率最高可达几kHz，满足系统对速度的要求。MPU6050姿态测量稳定度为0.01°，此精度下直线距离误差可以忽略。且其内置可编程的卡尔曼滤波器，采用最优化自回归数据处理算法，保证了对风力摆当前姿态角的精确测量。

综合比较以上两个方案，本系统选择方案二。

1.3 单片机的选择与论证

在1.2论证中，因确定使用三维角度传感器这种对处理速度要求较高的外设，故使用处理速度较快的STM32系列单片机STM32F103ZET6。

1.4 控制算法的选择

方案一：采用模糊控制算法,模糊控制有许多良好的特性,它不需要事先知道对象的数学模型,具有系统响应快、超调小、过渡过程时间短等优点，但编程复杂，数据处理量大。

方案二：采用PID算法，按比例、积分、微分的函数关系,进行运算,将其运算结果用以输出控制。优点是控制精度高,且算法简单明了。对于本系统的控制已足够精确，节约了单片机的资源和运算时间。

综合比较以上两个方案，本系统选择方案二。

2、 测控方法 2.1 风力摆状态测量

姿态采集模块不断采集风力摆当前姿态角并发送至单片机，单片机对比姿态角信息与初始状态时滚转角与俯仰角数据，分析风机当前朝向，从而得知风力摆当前状态。

2.2 风力摆运动控制的分析

使用四只风机作为动力驱动系统。设风机给风力摆的推力依次为为F1、F2、F3、F4。如图2-1所示。

根据空气动力学原理，轴流风机产生的轴向推力与其单位时间内风流量成正比，即与其风机转速和其表面积乘积成正比。由于所选取四只风机物理特征完全一致，故风机产生的推力F只与输入的PWM波占空比有关。因此控制输入PWM波占空比即可控制风机推力大小。又由做功计算公式W=P*t知风机工作时间也是影响风力摆状态的决定因素。所以为实现对风力摆状态的精确、高速控制，必须掌握好输入风机PWM占空比和风机工作时间。

风力摆直线运动时，通过调节PWM波占空比控制四只风机产生合力在垂直

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运动方向分力为0。如图2-2，设所画直线长度为2X，风力摆顶端离地距离为L，则滚转角?为：

（nX/L） ??arcta （公式1）

设定风力摆摆动滚转角阀值为?，调节风机工作时间和PID参数，则风力摆将按

照设定的摆动角度、画线长度运动到指定状态。图示分析如图2-2所示。

风力摆画圆时，等同于风力摆做圆周运。由 sin2α+sin2（π/2-α）=1 知圆周运动可等价于x轴、y轴上相差 π/2 相位差的正弦波合成的运动。即控制相对立的两组风机各自稳定的运动，通过调试找到合适的关系使之合成稳定的圆周运动。

图2-1 风力摆受力分析

图2-2 直线运动分析

2.3 控制算法的分析

本系统采用 PID 算法来控制风机转动的速度。风机开始工作后，姿态采集模块不断采集当前风力摆姿态角状态，并与之前的状态比较，使得风力摆的运动状态逐渐趋向于平稳。PID 算法控制器由舵机转动角度比例 P、角度误差积分I 和角度微分 D 组成。

其输入 e (t）与输出 U (t）的关系为：

t?1de(t)?U(t)?P*?e(t)??e(t)dt?D*?Idt0?? （公式2）

它的传递函数为：

G(s)?

U(s)1???P*?1??D*s? E(s)?I*s? （公式3）

风力摆转动角度比例 P：对风力摆角速度进行比例调整，即对舵机转动速度调整。比例越大，调节速度越快。但不能过大，过大可能造成四风机因工作状态

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突变而使摆杆不稳定。

角度误差积分 I： 使系统消除稳态误差,提高无差度。加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。本系统追求更快更稳完成对风力摆的控制，因此，本系统对积分调节的需要就非常弱。即保证在不需要时系统不会受到影响。

角度微分 D：微分作用反映风力摆角度的变化率，即角速度。具有预见性，能预见偏差变化的趋势因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下,减少调节时间。

3、系统设计

3.1 系统程序流程设计

本系统采用三个独立按键输入各参数及测试模式，系统开机启动进入系统初始化界面，按下指定按键后进入菜单选择界面，菜单选择界面有6个功能，分别对应题目基本要求和发挥部分6点，通过按键可以选择进入相应的功能，功能执行完毕后系统回到菜单选择界面，继续等待按键输入执行相应的功能。系统程序流程图如图3所示。

开始

系统界面

N 菜单键按下 YN 菜单界面