風(fēng)力擺控制系統(tǒng)論文

1、風(fēng)力擺控制系統(tǒng)摘 要：本系統(tǒng)采用STM32F103ZET6單片機(jī)作為控制核心，通過(guò)對(duì)置于風(fēng)力擺上的MPU9150陀螺儀采集的角度進(jìn)行處理得到角度與風(fēng)力擺位置的關(guān)系，再通過(guò)驅(qū)動(dòng)輸出PWM波控制軸流風(fēng)機(jī)，使風(fēng)力擺到達(dá)指定的位置，做規(guī)定的圓周運(yùn)動(dòng)。本系統(tǒng)通過(guò)PID調(diào)試，測(cè)試表明，各項(xiàng)功能已達(dá)到或超過(guò)本題目要求。關(guān)鍵詞：MPU9150；PID；軸流風(fēng)機(jī)1. 系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由主控制器，陀螺儀，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，軸流風(fēng)機(jī)，激光筆組成，下面分別對(duì)這幾個(gè)模塊進(jìn)行選擇與論證。1.1陀螺儀的選擇方案一：MPU6050。 9軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器，它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字?jǐn)?shù)字

2、運(yùn)動(dòng)處理器DMP，可用I2C接口連接一個(gè)第三方的數(shù)字傳感器，比如磁力計(jì)。MPU-6050對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別用了三個(gè)16位的ADC，將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。一個(gè)片上1024字節(jié)的FIFO，有助于降低系統(tǒng)功耗。但零飄較嚴(yán)重。方案二：角度傳感器。當(dāng)連結(jié)到RCX上時(shí)，軸每轉(zhuǎn)過(guò)1/16圈，角度傳感器就會(huì)計(jì)數(shù)一次。往一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，計(jì)數(shù)增加，轉(zhuǎn)動(dòng)方向改變時(shí)，計(jì)數(shù)減少。計(jì)數(shù)與角度傳感器的初始位置有關(guān)。當(dāng)初始化角度傳感器時(shí)，它的計(jì)數(shù)值被設(shè)置為0。角度傳感器一般測(cè)靜態(tài)的角度，傾角用加速度計(jì)。明顯在本系統(tǒng)中角度傳感器不如陀螺儀方便使用。方案三：MPU9150。MPU-9150 是采用系統(tǒng)級(jí)封裝

3、(SiP)，集合了兩個(gè)芯片：MPU-6050 和 3 軸數(shù)字羅盤(pán) AK8975，其中 MPU-6050 包含 3 軸陀螺儀、3 軸加速計(jì)以及能夠處理復(fù)雜 9 軸 MotionFusion 算法的板載 Digital Motion Processor (DMP) 。 這款元件集成 9 軸 MotionFusion 算法，能夠訪問(wèn)所有內(nèi)部傳感器，以收集全套傳感器數(shù)據(jù)。MPU9150測(cè)轉(zhuǎn)角的速度的，可以積分得到轉(zhuǎn)的角度，動(dòng)態(tài)性能好，靜態(tài)差，零飄基本無(wú)，很適合本系統(tǒng)。綜合考慮后決定采用方案三。1.2軸流風(fēng)機(jī)的選擇方案一：四線可測(cè)速、包含溫控PWM調(diào)速軸流風(fēng)機(jī)。此種軸流風(fēng)機(jī)一般重量較大，啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，雖然

4、風(fēng)量大但明顯不適合本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)調(diào)整的思路。方案二：三線可測(cè)速軸流風(fēng)機(jī)。此種軸流風(fēng)機(jī)重量較輕，啟動(dòng)時(shí)間短，直接接驅(qū)動(dòng)即可對(duì)其進(jìn)行控速，風(fēng)量也很大，比較符合題目各項(xiàng)要求的時(shí)間限制。綜合考慮后決定采用方案二。1.3軸流風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)與方位選擇方案一：兩個(gè)軸流風(fēng)機(jī)。兩個(gè)軸流風(fēng)機(jī)的擺放有兩種方式，背對(duì)擺放和呈直角擺放。第一種方式只有兩個(gè)方向的擺角，而垂直擺放則只有180°的擺角。方案二：三個(gè)軸流風(fēng)機(jī)。三個(gè)軸流風(fēng)機(jī)呈等邊三角形擺放，雖360°都可以達(dá)到，但是每?jī)蓚€(gè)軸流風(fēng)機(jī)的夾角是鈍角，合成后的力大大減小。方案三：四個(gè)軸流風(fēng)機(jī)。四個(gè)軸流風(fēng)機(jī)兩兩垂直擺放，合力方向遍布360°，且合

5、力的方向方便計(jì)算，合力的大小方便控制。綜合考慮后選擇方案三。1.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇方案一：ULN2003電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。高耐壓、大電流復(fù)合晶體管ICULN2003，ULN2003 是高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列，由七個(gè)硅NPN 復(fù)合晶體管組成。ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。ULN2003電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路簡(jiǎn)單，既可控制直流電機(jī)又可控制步進(jìn)電機(jī)。由于電流的限制，只能驅(qū)動(dòng)小型電機(jī)。方案二：可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及調(diào)速,啟動(dòng)性能好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,工作電壓可達(dá)到36V，可持續(xù)工作電流2A,此題中可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)

6、。TLP521-4光隔，L298N有過(guò)電流保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)電機(jī)卡死時(shí)，可以保護(hù)電路和電機(jī)等。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，板載5V線性電源輸出，紋波小，對(duì)單片機(jī)毫無(wú)干擾。綜合考慮軸流風(fēng)機(jī)的工作電流，決定采用方案二。2. 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1PID的原理與運(yùn)用PID即比例、積分和微分，比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e (t）與輸出u (t）的關(guān)系為：u(t)=kpe(t)+1/TIe(t)dt+TD*de(t)/dt 積分的上下限分別是0和t因此它的傳遞函數(shù)為：G(s)=U(s)/E(s)=kp1+1/(TI*s)+TD*s 其中kp為比例系數(shù)； TI為

7、積分時(shí)間常數(shù)； TD為微分時(shí)間常數(shù)。本系統(tǒng)中只用到了P和D，即比例和微分。陀螺儀的讀出的角度傳遞給PID公式，PID公式計(jì)算后算出PWM值對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。Pitch的返回值對(duì)3、4號(hào)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，roll的返回值對(duì)1、2號(hào)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力擺的360°的擺動(dòng)。2.2風(fēng)力擺系統(tǒng)與其空間模型風(fēng)力擺的實(shí)際模型如圖一所示，其建立的空間模型豎直截面如圖二所示，橫向截面如圖三所示，風(fēng)力擺空間模型如圖四所示。 圖一 圖二 如圖二所示，根據(jù)直角公式可以得出h、與r之間的關(guān)系：，又結(jié)構(gòu)一定時(shí)，已知h的值，由角度傳感器可以得出的值，所以r的值即可求出。如圖一與圖三所示，本系統(tǒng)在擺桿的下方放

8、置一十字形的木板平臺(tái)，在其四個(gè)相互垂直的方向放置四個(gè)相同型號(hào)的軸流風(fēng)機(jī)，四個(gè)軸流風(fēng)機(jī)面向外放置，當(dāng)其一的軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，擺桿則向其相反的方向擺。例如，僅僅軸流風(fēng)機(jī)1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，擺桿則向180°的方向擺動(dòng)。又相鄰兩個(gè)軸流風(fēng)機(jī)可以通過(guò)控制其PWM而得到不 圖三 同合力F，所以360°的方向都可以得到，在此理論基礎(chǔ)上，風(fēng)力擺在橫截面上可以做圓周運(yùn)動(dòng)。理論計(jì)算：設(shè)軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)力分別為F1、F2、F3和F4，對(duì)V1和V3的合力F進(jìn)行分析，F(xiàn)的大?。篎的方向： 空間方程建立： 圖中是陀螺儀與擺桿（z軸）的夾角，陀螺儀測(cè)出的Roll與Pitch分別是陀螺儀在xoz平面的投影，以及陀螺儀在yo

9、z平面上的夾角；根據(jù)幾何推導(dǎo)，我們可以列出方程： 確定的值，將陀螺儀測(cè)出的Roll和Pitch分別代入PID公式，整定參數(shù)，測(cè)得電機(jī)需要的PWM，即可做圓周運(yùn)動(dòng)；是電機(jī)（或陀螺儀）與Y軸（0度測(cè)試線）的夾角，根據(jù)幾何推導(dǎo)，我們 圖四 可以列出以下方程確定以上的，可以得出Roll和Pitch的關(guān)系，代入PID公式，整定參數(shù)，測(cè)得電機(jī)需要的PWM值，即可按不同角度畫(huà)直線。2.3陀螺儀的原理 在3D圖形學(xué)中，最常用的旋轉(zhuǎn)表示方法便是四元數(shù)和歐拉角，比起矩陣來(lái)具有節(jié)省存儲(chǔ)空間和方便插值的優(yōu)點(diǎn)，計(jì)算公式采用3D笛卡爾坐標(biāo)系，定義繞Z軸、Y軸、X軸的旋轉(zhuǎn)角度分別為Yaw、Pitch、Roll，如圖五所示，

10、 通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸和繞該軸旋轉(zhuǎn)的角度可以構(gòu)造一個(gè)四元數(shù)：；。其中是繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角度，為旋轉(zhuǎn)軸在x,y,z方向的分量（由此確定了旋轉(zhuǎn)軸）。 本系統(tǒng)中根據(jù)陀螺儀得到的Pitch、Roll來(lái)的到風(fēng)力擺的角度，返回給PID。3. 總體設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)構(gòu)架與功能本系統(tǒng)主要由激光筆，軸流風(fēng)機(jī)，L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)，矩陣鍵盤(pán)等組成。STM32F103ZET6接收到陀螺儀收到的歐拉角，再進(jìn)行PID調(diào)節(jié)得到PWM，將PWM返回到軸流風(fēng)機(jī)，軸流風(fēng)機(jī)控制轉(zhuǎn)速使風(fēng)力擺達(dá)到不同的角度，陀螺儀實(shí)時(shí)檢測(cè)。如圖六所示。 圖六3.2硬件電路圖圖七為驅(qū)動(dòng)L298N的電路圖，圖八為MPU9150的電路圖。 圖五 圖六3.3程序流程圖 圖七

11、4. 系統(tǒng)測(cè)試與總結(jié)測(cè)試儀器：YB1731A2A直流穩(wěn)壓電源，秒表，直尺。1. 基礎(chǔ)部分一表格，測(cè)試十次均達(dá)到所要求，其距離與時(shí)間列表如下：距離53cm54cm52cm53cm52cm54cm55cm52cm56cm56cm時(shí)間12.5s13.7s12.1s12.4s12.2s13.6s13.7s12.2s13.8s13.9s2. 基礎(chǔ)部分二表格，表中時(shí)間數(shù)據(jù)為十次測(cè)試的平均值，其距離如下圖所示：距離30cm35cm40cm45cm50cm55cm60cm時(shí)間5.3s6.2s6.7s8.5s10.1s11.2s12s3. 基礎(chǔ)部分三表格，表中數(shù)據(jù)均在畫(huà)出不短于20cm的直線段的條件小測(cè)出，每個(gè)

12、角度的時(shí)間為5次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值，其設(shè)置的角度與到達(dá)穩(wěn)定的時(shí)間如下圖所示：角度30°45°50°70°100°120°160°180°時(shí)間10s12.2s15s16s16.2s16.5s16.4s16.7s4. 基礎(chǔ)部分四表格，將風(fēng)力擺拉起一定的角度（30°45°）放開(kāi)，制動(dòng)達(dá)到靜止的時(shí)間如下圖所示：時(shí)間4.5s5.1s4.3s4.6s4.6s4.7s5.2s4.4s4.5s4.6s5. 發(fā)揮部分一表格，所畫(huà)圓的半徑在15cm35cm內(nèi)可設(shè)置，表中的重復(fù)次數(shù)均為10次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值，結(jié)果如下圖所示：半徑15cm20cm23cm28cm31cm33cm35cm重復(fù)次數(shù)4556546實(shí)驗(yàn)證明本系統(tǒng)能成功達(dá)到題目的要求，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定完全適應(yīng)做風(fēng)力擺，從結(jié)構(gòu)到算法隊(duì)員都親力親為，討論結(jié)構(gòu)，分析方案，分析算法。此系統(tǒng)中軸流風(fēng)機(jī)是一個(gè)關(guān)鍵，之前軸流風(fēng)機(jī)的選擇不正確，怎樣系統(tǒng)都擺不起來(lái)，后來(lái)?yè)Q了適宜的之后，程序算法就比較順利了。算法也是此題的難點(diǎn)，算法基本確定使用PID之后就開(kāi)始調(diào)試，