飛擺控制系統(tǒng)

1、風(fēng)力擺控制系統(tǒng)摘要：為了實(shí)時(shí)監(jiān)測和自主控制風(fēng)力擺姿態(tài)，本設(shè)計(jì)以KL26單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了風(fēng)力擺控制系統(tǒng)。通過陀螺儀傳感器實(shí)時(shí)檢測并計(jì)算出擺桿在水平和垂直方 向上的角度，進(jìn)而得到軸流風(fēng)機(jī)二維系統(tǒng)內(nèi)的位置偏差，通過運(yùn)用PWM控制技術(shù)控制4個(gè)軸流風(fēng)機(jī)，使得風(fēng)力擺按照一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)。測試結(jié)果顯示系統(tǒng)運(yùn)行可 靠，完全滿足設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：KL26;陀螺儀；傳感器；PWMAbstract: In order to monitor and control the movement of the wind pendulum, the KL26 microcontroller is chosen as the

2、core to the design of the wind pendulum control system. Through the gyroscope sensor, the angle of the horizontal and vertical direction of swinging bar is detected and the position deviation of the two dimensional system is thus obtained. By applying the PWM control technology to the 4 axial fans,

3、the motion of the wind pendulum is controlled in accordance with a certain law. Test results show that the system is reliable and can fully meet the design requirements.Key words: KL26; gyroscope; sensor; PWM1方案論證與比較整體思路根據(jù)上述方案論證，我們最終確定了以 KL26單片機(jī)為控制核心，采用陀螺儀傳感器實(shí)時(shí)檢測軸流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的二維空間位置偏差，利用單片機(jī)控制軸流風(fēng)機(jī) 的轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)

4、力擺控制系統(tǒng)的整體功能。如圖1所示，本設(shè)計(jì)主要包括 KL26單片機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)和陀螺儀傳感器。整個(gè)軸流風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)通過陀螺儀傳感器檢測風(fēng)機(jī)位置，再由單片機(jī)控制軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，最終使得軸流風(fēng)機(jī)處于所需狀態(tài)。讀取角度值圖1整體框圖12V10A開關(guān)電源制控傳感器MPU6050電 供_軸流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案論證支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案一：采用單豎桿和單橫桿固定支架結(jié)構(gòu)， 方案結(jié)構(gòu)簡單易實(shí)現(xiàn)，但穩(wěn)定 性較差，風(fēng)力機(jī)擺動(dòng)時(shí)容易出現(xiàn)支架晃動(dòng)，不利于設(shè)計(jì)結(jié)果穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)。方案二：選擇三角支架結(jié)構(gòu)為底部穩(wěn)定結(jié)構(gòu)， 中間采用橫桿固定。較方案一 穩(wěn)定度大大提高，設(shè)計(jì)過程簡單，易于實(shí)現(xiàn)。但執(zhí)行過程中需要調(diào)整底部兩個(gè)三 角支架高度相

5、一致，水平穩(wěn)定度欠缺。方案三：采用兩邊支架結(jié)構(gòu)和橫桿固定。 較方案一和方案二穩(wěn)定度最高，支 架高度固定，不需要提前調(diào)整支架高度，易于實(shí)現(xiàn)，執(zhí)行過程能夠很好地抗干擾。綜上比較三個(gè)方案，本系統(tǒng)選擇方案三。軸流風(fēng)機(jī)布局方案論證方案一：采用兩個(gè)軸流風(fēng)機(jī)，使其正交放置，通過控制兩個(gè)風(fēng)機(jī)的速度來 實(shí)現(xiàn)畫直線軌跡和順時(shí)針圓周軌跡。方案二：采用三個(gè)軸流風(fēng)機(jī)，使其在同一平面內(nèi)呈正三角形排布，通過控制三個(gè)風(fēng)機(jī)的速度來實(shí)現(xiàn)畫直線軌跡和順時(shí)針圓周軌跡。方案三：采用四個(gè)軸流風(fēng)機(jī)，使其在同一平面內(nèi)呈正方形排布，通過控制 四個(gè)風(fēng)機(jī)的速度來實(shí)現(xiàn)畫直線軌跡和順時(shí)針圓周軌跡。 其排布位置的對(duì)稱性使得 其具有一致性好、控制方便、靈

6、敏度高和響應(yīng)快等特點(diǎn)。綜上比較，采用四個(gè)軸流風(fēng)機(jī)方案。姿態(tài)傳感器選擇方案一：采用ITG3200三軸數(shù)字回轉(zhuǎn)儀，量程范圍 土 2000(dps)靈敏度為14.375,電壓為 2.13.6V。方案二：采用MPU6050傳感器，量程范圍為25 土 500 土 1000 土 2000D Dd?D Dd方案三：采用數(shù)字輸出陀螺L3G4200D,量程范圍為250 500 +2000D_Dd a ?對(duì)比各傳感器優(yōu)勢，MPU6050姿態(tài)傳感器能夠同時(shí)測量加速度和角速度， 兩者互補(bǔ)融合增強(qiáng)風(fēng)力擺的穩(wěn)定性。綜上比較以上方案，本系統(tǒng)選擇方案二。風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)控制方案論證風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)方式控制方案一：使用四只軸流風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力

7、系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制方式為“十”字形控制， 軸流風(fēng)機(jī)分別安裝在十字形結(jié)構(gòu)四端， 給定探桿脫離垂直方向一定角度時(shí)， 探桿 擺動(dòng)。此時(shí)控制擺動(dòng)方向上對(duì)立兩個(gè)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，迫使探桿按照要求運(yùn)動(dòng)。方案 設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)程度可靠。如圖 2所示為十字形控制方式。圖2十字形控制圖3交叉直線控制方案二：使用四只軸流風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制方式為兩條交叉直線方 式。四只風(fēng)機(jī)仍然按照對(duì)立安裝的方式。當(dāng)給探桿脫離垂直方向一定角度時(shí)，控 制相鄰的兩個(gè)軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，迫使探桿按照要求運(yùn)動(dòng)。方案設(shè)計(jì)較方案一復(fù)雜， 較難實(shí)現(xiàn)。如圖3所示為交叉直線控制方式。綜上比較以上方案，本系統(tǒng)選擇方案一。運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)方式控制本方案用于實(shí)現(xiàn)圓周

8、運(yùn)動(dòng)軌跡方案一：控制軸流風(fēng)機(jī)在x方向和y方向同時(shí)運(yùn)動(dòng)，并且要求x軸方向和y 軸方向相位相差90度。改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，逐漸加大運(yùn)動(dòng)軌跡脫離垂直方向距 離，使運(yùn)動(dòng)速度和風(fēng)機(jī)速度達(dá)到共振，運(yùn)動(dòng)軌跡從小圓到大圓。但方案較難實(shí)現(xiàn)， 完成度較低。方案二：控制軸流風(fēng)機(jī)在x軸方向運(yùn)動(dòng)，并逐漸達(dá)到最大運(yùn)動(dòng)距離，此時(shí)控 制軸流風(fēng)機(jī)同時(shí)在y軸方向開始運(yùn)動(dòng)，并且要求兩個(gè)方向相位相差 90度。使運(yùn) 動(dòng)軌跡從橢圓逐漸逼近圓。此方案較方案一更易于實(shí)現(xiàn)，能夠比較準(zhǔn)確地完成設(shè) 計(jì)要求。比較以上方案，本系統(tǒng)選擇方案二。2設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)理論分析與計(jì)算風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)控制的分析(1)畫規(guī)定直線與斜線：以探桿為擺長，在擺長固定的條件下，控

9、制風(fēng)機(jī)使風(fēng)力 擺做類似自由運(yùn)動(dòng)，以x軸方向?yàn)槔?，通過MPU6050檢測風(fēng)力擺與x軸方向角 度，不斷加徑向兩個(gè)風(fēng)機(jī)動(dòng)力，使風(fēng)力擺與 x軸方向角度逐漸逼近設(shè)定角度口， 得到要求的直線L:Atanhnjiacog若以與x軸和y軸有一定夾角的方向畫斜線，則控制 MPU6050將檢測到的 角度分解為與x軸方向的夾角和與y軸方向上的夾角，不斷加大相鄰兩個(gè)風(fēng)機(jī)動(dòng) 力，使夾角逐漸逼近設(shè)定角度丫，按照上式得到要求畫出的斜線。調(diào)節(jié)PID參數(shù)， 使畫出要求的直線長度。(2)定點(diǎn)：給定風(fēng)力擺任意角度，由 MPU6050檢測到的角度和角速度作為輸入， 控制風(fēng)機(jī)輸出，使其與運(yùn)動(dòng)方向相反，即給定反向動(dòng)力，無論風(fēng)力擺趨向哪個(gè)

10、方 向運(yùn)動(dòng)，風(fēng)機(jī)動(dòng)力方向都與之相反。從而達(dá)到靜止的要求。(3)畫圓周：控制軸流風(fēng)機(jī)在 x軸方向運(yùn)動(dòng)，并逐漸達(dá)到最大運(yùn)動(dòng)距離，此時(shí)控 制軸流風(fēng)機(jī)同時(shí)在y軸方向開始運(yùn)動(dòng)，并且要求兩個(gè)方向相位相差90度。使運(yùn)動(dòng)軌跡從橢圓逐漸逼近圓。風(fēng)力擺控制算法分析采用PID算法和傳感器相結(jié)合的方式來控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)力擺擺動(dòng)后傳感器不斷采集當(dāng)前運(yùn)動(dòng)角姿態(tài)，并與之前設(shè)定的角姿態(tài)相比較，采用位置式PID算法共同控制風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)，使得風(fēng)力擺趨向穩(wěn)定狀態(tài)。輸出u與輸入e間規(guī)律uft) = e(t) + 打 e(r) dz + 號(hào)”11 Jq里式中：Kp為比例放大系數(shù)；T1為積分時(shí)間；心為微分時(shí)間(1)風(fēng)力擺角度誤差積分：積分

11、能在比例的基礎(chǔ)上消除余差，它適用于控制通道 滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控參數(shù)不允許有余差的場合，反應(yīng)系統(tǒng)的當(dāng)前偏差e(t),系數(shù)大，可以加快調(diào)節(jié)，減小誤差，使得系統(tǒng)能夠更快的控制風(fēng)力擺的運(yùn) 動(dòng)軌跡。(2)風(fēng)力擺角度微分：微分具有超前作用，對(duì)于具有容量滯后的控制通道，引入 微分參與控制，在微分項(xiàng)設(shè)置得當(dāng)?shù)那闆r下，對(duì)于提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，有 著顯著效果。因此，在風(fēng)力擺的設(shè)計(jì)過程中，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小動(dòng)態(tài) 偏差等可選用比例微分控制規(guī)律。電路與程序設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)單片機(jī)控制電路主要由KL26單片機(jī)、LM2940穩(wěn)壓電路和OLED屏所組成， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力擺系統(tǒng)的自主控制。穩(wěn)壓電路主要通過LM2

12、940穩(wěn)壓芯片將開關(guān)電源電壓從12V降至5V,進(jìn)而 為KL26單片機(jī)和OLED屏提供正常工作電壓。通過OLED屏可直觀的觀測到風(fēng) 力擺系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)作狀態(tài)，便于數(shù)據(jù)的優(yōu)化調(diào)節(jié)和觀測。KL26單片機(jī)是風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的核心，具通過檢測陀螺儀傳感器返回的軸流風(fēng)機(jī)所處二維空間的位置 偏差，進(jìn)一步調(diào)節(jié)4個(gè)軸流風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，從而控制軸流風(fēng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使 其滿足要求。程序設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)使用kl26芯片,并且借用野火庫文件方便實(shí)現(xiàn)代碼。芯片硬件資 源使用如下：一個(gè)定時(shí)器、四路 PWM信號(hào)輸出、硬件IIC總線。定時(shí)器用于對(duì) 軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行定時(shí)控制，1ms控制保證了控制的即時(shí)性，PWM信號(hào)輸出作用到 軸流風(fēng)機(jī)用于調(diào)

13、速，IIC總線用于與mpu6050通信，并從中讀取輸出的角度和角 速度數(shù)據(jù)，進(jìn)行軸流風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的姿態(tài)解算。程序流程圖如圖6所示：圖6程序流程圖3系統(tǒng)測試方案與測試結(jié)果分析測試設(shè)備與測試方法所用的的測試設(shè)備有：秒表、量角器、方向角度圖等。測試方法描述如下：1)規(guī)定時(shí)間內(nèi)畫直線。測試開始時(shí)風(fēng)力擺靜止，控制風(fēng) 機(jī)使風(fēng)力擺逐漸擺動(dòng)，加大風(fēng)機(jī)動(dòng)力，同時(shí)平衡風(fēng)力擺，減小其晃動(dòng)，使風(fēng)力擺 下方激光筆按照要求畫出直線。測試多組數(shù)據(jù)，計(jì)算出誤差最小一組。2)風(fēng)力擺定點(diǎn)靜止。測試時(shí)將風(fēng)力擺拉起一個(gè)角度，由 MPU6050檢測到的角度和角速度 作為輸入，控制電機(jī)輸出，使其與運(yùn)動(dòng)方向相反，無論風(fēng)力擺趨向哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，

14、電機(jī)動(dòng)力方向都與之相反。記錄不同角度下靜止所需要的時(shí)間。 并比較結(jié)果得出 完成度最優(yōu)的測量角度。測試方案及結(jié)果風(fēng)力擺畫長于50cm直線測試驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺工作，使激光筆穩(wěn)定地在圖紙上畫出一條長度不短于 50cm的直 線段，來回五次，記錄由靜止至開始自由擺時(shí)間以及最大偏差距離。 測試結(jié)果如 表1所小。表1風(fēng)力擺畫長于50cm直線測試時(shí)間(S)誤差1誤差2誤差3誤差4誤差5第一次測試13.45士091+039+076+ 087+0.89第二次測試12.59+092+0.77+0.89+ 078+0.58第三次測試13.25+0780.590.74+ 0780.69從表格數(shù)據(jù)可以看出，整體線性度良好，誤差

15、基本可以穩(wěn)定在二qD_Dd風(fēng)力擺畫不同長度直線測試設(shè)置風(fēng)力擺畫線長度，驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺工作，記錄其由靜止至開始自由擺時(shí)間及在畫不同長度直線時(shí)的最大偏差距離。測試結(jié)果如表2所示表2風(fēng)力擺畫不同長度直線測試時(shí)間(S)誤差1誤差2誤差3誤差4誤差5畫30cm直線9.64-0.32-0.370.240.13-0.11畫40cm直線10.560.430.54-0.230.43-0.34畫50cm直線11.32-0.231.23-0.74-1.1-1.3畫60cm直線13.10-0.461.481.56-1.4-1.8從表格數(shù)據(jù)中可以得出結(jié)論：畫不同長度直線時(shí)，其線性誤差程度不同，在 角度確定的情況下，畫40c

16、m的直線線性誤差最小。風(fēng)力擺畫不同角度直線測試設(shè)置風(fēng)力擺自由擺時(shí)角度，驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺工作，記錄其由靜止至開始自由擺時(shí)問及在畫不同角度直線時(shí)的最大偏差距離。測試結(jié)果如表3所示。表3風(fēng)力擺畫不同角度直線測試時(shí)間(s)Bit 1偏差2偏差3偏差4偏差5畫30。直線9.43+1.1+1.5+1.3+1.1+1.3畫60(|直線9.16士工弓+1.2+0.9+1.3+1.4畫135。直線8.77+1,G+1.1+0.9+0.8+0.8畫160。直線10.11+1A+15+1A+1.2+1.3從表中數(shù)據(jù)可以分析得出結(jié)論：按不同方向畫直線時(shí)，在拉起角度為60D_Dd?e?D_Dd?e?D_Dd風(fēng)力擺恢復(fù)靜止測試

17、將風(fēng)力擺拉起一定角度放開，驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺工作，測試風(fēng)力擺制動(dòng)達(dá)到靜止?fàn)?態(tài)所用時(shí)間。測試結(jié)果如表4所示。表4風(fēng)力擺恢復(fù)靜止測試時(shí)間(1)時(shí)間(2)時(shí)間(3)時(shí)間(4)時(shí)間(5)拉起302.032.122.412.212.17拉起35。2.422.322.572.452.34拉起403.273.393.683.493.51拉起454.214.334.124.344.59從表中數(shù)據(jù)可以看出，控制線性誤差時(shí)，在趨近原點(diǎn)時(shí)角度變化會(huì)變快，此 時(shí)角度誤差會(huì)增大，隨著拉起角的增大，恢復(fù)靜止時(shí)間增長?？刂齐y度也在增大。風(fēng)力擺作圓周運(yùn)動(dòng)以風(fēng)力擺靜止時(shí)激光筆的光點(diǎn)為圓心，驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺下的激光筆在地面畫圓， 30s內(nèi)需

18、重復(fù)3次；圓半徑可在1535cm范圍內(nèi)設(shè)置，激光筆畫出的軌跡應(yīng)落在 指定半徑土 2.5cm的圓環(huán)內(nèi)，接著在距離風(fēng)力擺 12m距離內(nèi)用一臺(tái)5060W臺(tái) 扇在水平方向吹向風(fēng)力擺，臺(tái)扇吹5s后停止，風(fēng)力擺能夠在5s內(nèi)恢復(fù)規(guī)定的圓 周運(yùn)動(dòng)。測試結(jié)果如表5所示：表5風(fēng)力擺作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)間(S)半徑誤差1半徑誤差2半徑誤差3半徑誤差4能否恢復(fù)畫15cm圓23.1+1.91r +1.41+1.03+1.21是畫20cm圓20.3+1.211 +0.88+1.31+1.25是畫20cm圓25.81j611.411.93+178是畫35cm圓21.51.81.2X)1+1.93+1.87是從表中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)畫20cm為半徑的圓時(shí)，所用時(shí)間最短，半徑誤差