完整版基于stm32的風(fēng)力擺

1、基于stm32的旋轉(zhuǎn)倒立擺2017年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽陜西賽區(qū) 設(shè)計(jì)報(bào)告封面（由組委會填寫）（由組委會填寫）作品編號:剪切線作品編號:參賽隊(duì)編號（參賽學(xué)校填寫）學(xué)校編號組（隊(duì)）編號選題編號021802說 明1.為保證本次競賽評選的公平、公正，將對競賽設(shè)計(jì)報(bào)告采用二次編碼；2,本頁作為競賽設(shè)計(jì)報(bào)告的封面和設(shè)計(jì)報(bào)告一同裝訂；“作品編號”由組委會統(tǒng)一編制，參賽學(xué)校請勿填寫；“參賽隊(duì)編號”由參賽學(xué)校編寫，其中“學(xué)校編號”應(yīng)按照巡視員提供的組 委會印制編號填寫，“組（隊(duì)）編號”由參賽學(xué)校根據(jù)本校參賽隊(duì)數(shù)按順序編排, “選題編號”由參賽隊(duì)員根據(jù)所選試題編號填寫，例如：“0105B”或3367F”。本頁

2、允許各參賽學(xué)校復(fù)印基于stm32的旋轉(zhuǎn)倒立擺基于stm32的風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要本系統(tǒng)采用STM32F103F發(fā)板作為控制中心，與萬向節(jié)、擺桿、空心杯電機(jī)、 激光頭、反饋裝置一起構(gòu)成擺桿運(yùn)動狀態(tài)與風(fēng)機(jī)速度分配的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。單片機(jī)輸出可變的PWMS給電機(jī)調(diào)速器，控制4個(gè)方向上風(fēng)機(jī)的風(fēng)速，從而產(chǎn)生大 小不同的力。利用加速度計(jì)模塊 MPU6050準(zhǔn)確測出擺桿移動的位置與中心點(diǎn)位 置之間的關(guān)系，采樣后反饋給單片機(jī)，使風(fēng)機(jī)及時(shí)矯正，防止脫離運(yùn)動軌跡?？?制方式采用PID算法，比例環(huán)節(jié)進(jìn)行快速響應(yīng)，積分環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)無靜差，微分環(huán)節(jié) 減小超調(diào)，加快動態(tài)響應(yīng)。從而使該系統(tǒng)具有良好的性能，能很好地實(shí)現(xiàn)

3、自由擺 運(yùn)動、快速制動靜止、畫圓、指定方向偏移，具有很好地穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：STM32F103 ;空心杯電機(jī)；MPU6050 ; PIDAbstractThis system adopts the STM32F103V development board as the control center, and the universal joint, swinging rod, dc fan (brushless motor + blades), laser, feedback device together form the swinging rod motion state and fan s

4、peed distribution of the double closed loop speed regulation system. MCU output variable PWM waves to the motor speed, control four directions wind speed of the fan, to produce different size. Using accelerometer module MPU6050, accurately measure the position of swinging rod mobile and center posit

5、ion, the relationship between the sampling after feedback to the single chip microcomputer, the fan timely correction, prevent from the trajectory. Use the compass module judging direction, deviation control system to a specified direction. Using PID algorithm control method, proportion link for qui

6、ck response, integral element to realize astatic, differential link decrease overshoot, speed up the dynamic response. So that the system has good performance, which can well realize the pendulum movement,基于stm32的旋轉(zhuǎn)倒立擺fast brake static, circle, specify the direction deviation, has a good stability.K

7、eywords : STM32F103 ; Hollow cup motor ; MPU6050 ; PID1引言風(fēng)力擺控制系統(tǒng)是自動控制理論的重要研究平臺，可對應(yīng)于人工智能控制 技術(shù)，因此對它的研究具有重大的實(shí)踐意義和價(jià)值。目前對風(fēng)力擺的研究主要 分為系統(tǒng)力學(xué)分析及建模，控制算法及仿真，而對實(shí)現(xiàn)手段少有研究。文章討 論了以STM3刻核心的風(fēng)力擺控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，它實(shí)現(xiàn)了經(jīng)典雙回路PID控制算法對風(fēng)力擺的控制策略。2方案設(shè)計(jì)與論證系統(tǒng)基本方案控制方案設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)題目要求我們采用 STM32F10曲片機(jī)做為主控芯片，用加速度計(jì)陀 螺儀模塊MPU605耒計(jì)算角度和風(fēng)機(jī)狀態(tài)，用直流風(fēng)機(jī)帶動擺桿運(yùn)動

8、。當(dāng)MPU6050 檢測到擺桿的角度時(shí)，可根據(jù)三角函數(shù)公式計(jì)算出擺桿現(xiàn)在距離中心的具體位置（方向、距離），單片機(jī)會控制PW極的輸出大小來控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)速與方向，使 擺桿達(dá)到在特定位置靜止或按照一定的軌跡運(yùn)動。當(dāng)擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)時(shí)， 給四個(gè)風(fēng)機(jī)同時(shí)上電且風(fēng)向都向外， 此時(shí)擺桿仍處于受力平衡一一靜止?fàn)顟B(tài)。 此 時(shí)降低X軸上一個(gè)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，擺桿將會帶動激光頭在X軸上畫一條直線，當(dāng)達(dá) 到一定的傾斜角度時(shí)，單片機(jī)可根據(jù)角度計(jì)算出此時(shí)距離中心的距離是否 =25cm 若達(dá)到要求后，此風(fēng)機(jī)減速，X軸反方向上電機(jī)逐漸加速，恢復(fù)到初始速度，反 方向做相同的運(yùn)動。在此過程中，單片機(jī)做出 A/D采樣，Y軸方向方向風(fēng)

9、機(jī)隨時(shí) 做出矯正，防止發(fā)生軌跡偏移。角度傳感器控制系統(tǒng)框圖如圖1所示?；趕tm32的旋轉(zhuǎn)倒立擺電源管理示顯晶詼圖2-1控制系統(tǒng)框機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)由于擺桿長度（60cm70cm較長，且要求激光頭在地面畫出 15cm35cm勺 圓，所以要求橫桿的距離要足夠長。 橫桿長度較長加之?dāng)[桿重量較大， 所以要求 底座要有足夠的重量來支撐整個(gè)系統(tǒng)。如果結(jié)構(gòu)不穩(wěn)或者重量不夠，擺桿運(yùn)動過 程中將會產(chǎn)生傾倒或者抖動等現(xiàn)象，影響測試結(jié)果。于是，底座采用了 “工”型 結(jié)構(gòu)，保證了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。擺桿材料方面，我們選用輕便的硬質(zhì)鐵質(zhì)材料 與風(fēng)機(jī)進(jìn)行剛性連接，既能保證連接處的穩(wěn)定，又可達(dá)到減輕底座負(fù)擔(dān)的目的。 風(fēng)機(jī)選擇

10、方面，既要保證風(fēng)力夠大，能夠?qū)崿F(xiàn)題目基本要求中的自由擺運(yùn)動、快速制動靜止。又要有一定的重量，質(zhì)量越大，慣性越大，越不容易改變原來的運(yùn) 動狀態(tài)，在實(shí)現(xiàn)發(fā)揮部分（2）時(shí)，受到外界干擾，不容易改變原來的圓周運(yùn)動 狀態(tài)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2-2.基于stm32的旋轉(zhuǎn)倒立擺1.底座；2.豎桿；3.橫桿；4.螺栓；5.萬向節(jié)；6.擺桿；7.風(fēng)機(jī)；8.風(fēng)機(jī)；9.風(fēng) 機(jī)；10.風(fēng)機(jī)各部分方案選擇與論證電機(jī)選擇方案一：采用小型軸流風(fēng)機(jī)（大功率），使用雙滾珠軸承，采用滾動 摩擦的形式，軸承中有數(shù)顆微小鋼珠圍繞軸心，當(dāng)扇葉轉(zhuǎn)動時(shí)，鋼珠即跟 著轉(zhuǎn)動。因?yàn)槎际乔蝮w，摩擦力較小，所以轉(zhuǎn)速較高。能達(dá)到 8000RMP同 時(shí)產(chǎn)生較大

11、的風(fēng)力。風(fēng)機(jī)內(nèi)力矩較大，是因?yàn)闄C(jī)內(nèi)繞了大量的銅線，導(dǎo)致 重量較大，當(dāng)4個(gè)風(fēng)機(jī)固定到一起時(shí)，重量更大，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)力帶動風(fēng) 機(jī)運(yùn)動困難加大，更難做到題目中按要求運(yùn)動。另一方面，此風(fēng)機(jī)功率較 大，所需電流較大，驅(qū)動與供電方面也有很大問題。方案二：采用雙環(huán)強(qiáng)磁空心杯電機(jī)，內(nèi)部使用強(qiáng)磁，轉(zhuǎn)速較高。風(fēng)力也 足夠大，基本能達(dá)到要求。但是到題目發(fā)揮部分（2）時(shí)，面對外界風(fēng)力干擾 時(shí)，由于本身重量較輕，極易受到外界干擾，而不容易保持原來狀態(tài)。另外， 空心杯電機(jī)使用3.7V供電，供電電壓較低，單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，空心杯 的電壓線性度較小，而不易被精準(zhǔn)控制。方案三：采用空心杯電機(jī)，風(fēng)力較大，重量適中，完全能達(dá)到

12、題目運(yùn)動 狀態(tài)要求，速度控制精確。綜合考慮，我們選擇方案三。電機(jī)驅(qū)動的選擇由于上述電機(jī)選擇了空心杯電機(jī)，所以我們選擇的驅(qū)動是ULN2003A基于stm32的旋轉(zhuǎn)倒立擺擺桿與橫桿的連接選擇方案一：擺桿使用粗單股導(dǎo)線直接與橫桿連接，連接簡單且自由度較好, 給風(fēng)機(jī)供電等方面都比較容易，但是導(dǎo)線容易產(chǎn)生自旋，風(fēng)機(jī)固定困難也增 大，增加了調(diào)試難度。方案二：擺桿使用碳纖維材料，通過萬向節(jié)與橫桿相連。用此材料強(qiáng)度 能夠達(dá)到要求，且風(fēng)機(jī)固定容易。硬件搭建合理，配重平衡的前提下，擺桿 來回?cái)[動不易發(fā)生偏移，可輕松解決基本要求（1）,減少了編寫代碼的工作 量。綜上考慮，我們選擇方案二，節(jié)約時(shí)間。擺桿與風(fēng)機(jī)的連接選

13、擇方案一：擺桿與風(fēng)機(jī)之間使用一個(gè)直流電機(jī)或者舵機(jī)連接，這樣可以隨 時(shí)改變風(fēng)機(jī)的方向，同時(shí)可減少風(fēng)機(jī)的數(shù)量，控制量減少。但是此方案連接 結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，發(fā)揮部分圓周運(yùn)動穩(wěn)定性不高。方案二：擺桿與風(fēng)機(jī)之間采用剛性連接，連接較為簡單，穩(wěn)定性能較好。 綜上考慮，我們選擇方案二?？柭鼮V波卡爾曼濾波一種利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程， 通過系統(tǒng)輸入輸出觀測數(shù)據(jù)，對系 統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)的算法。由于觀測數(shù)據(jù)中包括系統(tǒng)中的噪聲和干擾的影響， 所以最優(yōu)估計(jì)也可看作是濾波過程。數(shù)據(jù)濾波是去除噪聲還原真實(shí)數(shù)據(jù)的一種數(shù) 據(jù)技術(shù)，濾波在測量方差已知的情況下能夠從一系列存在測量噪聲的數(shù)據(jù)中，估 計(jì)動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)。在本系統(tǒng)中以風(fēng)力擺

14、所有過去的擺角輸入和擾動作用最小參數(shù)的集合為基 礎(chǔ)對未來擺角數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，從輸出和輸入觀測數(shù)據(jù)求出的系統(tǒng)狀態(tài)最優(yōu)估計(jì)， 能夠與未來的輸入與系統(tǒng)的擾動一起確定風(fēng)力擺擺角的整個(gè)變化。非線性數(shù)據(jù)經(jīng)過卡爾曼濾波作用后可以大幅度提高控制精度，減少系統(tǒng)誤差，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。基于stm32的旋轉(zhuǎn)倒立擺風(fēng)力擺運(yùn)動狀態(tài)的分析基本要求（1）中屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，激光筆繪制的軌跡超過 50cm即可。我們可以設(shè)置擺桿傾角超過一個(gè)閾值 8, 9可通過擺動半徑R （R=25cm直接計(jì)算出。然后，通過開環(huán)調(diào)節(jié)，從低到高改變風(fēng)機(jī)的風(fēng)速，直到擺桿的角度超過閾值，記下此時(shí)PW極脈寬級作用時(shí)間。圖2-3擺桿角度姿態(tài)分析圖要繪制50

15、cm直線，只需R25cm（R為地面運(yùn)動軌跡的一半）在平面內(nèi)運(yùn)動即可RRtan 則 arctan （）其中L為擺桿與激光頭的長度，a為激L aL a光頭到地面的距離（a=20cm基本要求（2）擺動幅度可控，屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)， 公式計(jì)算與（1）相同設(shè)置直線長度 8 （30cmq 9 一56 二H工 Ed L_co?l怎工 二工工 烹 三 寸工36 VDDA3?JTMS PA13PBBBpppD2S2MSU2U1UCMAB15U13VDvsmPAPAPAp*STM32-叱 H- g圖3-1 STM32F103單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖電源與驅(qū)動模塊設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用LM2596開關(guān)電源供電，LM2596為可調(diào)

16、式的開關(guān)電源，可固定輸 出3.3V、5V、12V電壓，可調(diào)版本可以輸出小于37V的各種電壓。具有很好的線 性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。LM2596將輸出電壓同內(nèi)部基準(zhǔn)穩(wěn)壓值進(jìn)行比較，通過放大 器調(diào)節(jié)去芯片內(nèi)部振蕩器的輸出占空比，從而穩(wěn)定輸出電壓，穩(wěn)定輸出的電壓經(jīng)電容進(jìn)行平滑濾波。在實(shí)際操作中通過調(diào)節(jié) R2改變輸入電壓，經(jīng)LM2596急壓得 到所需電壓。本系統(tǒng)中通過經(jīng)LM2596穩(wěn)壓彳4到3.3V、5V、7V電壓，分別給單片機(jī)、驅(qū)動、 聲光報(bào)警模塊、風(fēng)機(jī)供電。電源模塊電路如圖3-2所示。GNIJ基于stm32的旋轉(zhuǎn)倒立擺圖3-2電源模塊電路圖驅(qū)動模塊設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用ULN2003B動模塊驅(qū)動軸流電機(jī)作為本系

17、統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。單片機(jī) 對角度數(shù)據(jù)處理后輸出PWMfeg制ULN2004區(qū)動模塊。ULN200犯高耐壓、大電 流達(dá)林頓陳列，由七個(gè)硅達(dá)林頓管組成。ULN2003的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和CMO跑路直接相連，可以 直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)中所選的軸流電機(jī)所需驅(qū)動電壓較小， ULN2004區(qū)動模塊驅(qū)動電壓 剛好適用，ULN200或際為多個(gè)NPNE極管，相比其他驅(qū)動模塊，ULN2003B作 簡單，易于編程。驅(qū)動模塊電路如圖3-3所示圖3-3驅(qū)動模塊電路圖聲光報(bào)警模塊設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用蜂鳴器和LED燈作為聲光報(bào)警模塊。按照題目要求運(yùn)動達(dá)到要

18、求 時(shí)要進(jìn)行一定的聲光提示，題目要求不高，蜂鳴器和 LED燈完全能夠達(dá)到要求。 在此模塊中系統(tǒng)采用三極管9012作為開關(guān)控制LED燈亮、蜂鳴器報(bào)警。三極管 9012為NPNE三極管，當(dāng)運(yùn)動軌跡達(dá)到要求時(shí)，單片機(jī)給 NPN9012極一個(gè)低 電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，LED丁亮、蜂鳴器報(bào)警。在電路中1N4007二極管主要起保 護(hù)電路作用。驅(qū)動模塊電路如圖3-4所示。基于stm32的旋轉(zhuǎn)倒立擺Q-6ND圖3-4電源模塊電路圖軟件的實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)采用STM32F10曲片機(jī)為控制器，采用C語言編程。程序主要起導(dǎo)向 和決策的作用，它控制整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定協(xié)調(diào)的運(yùn)作。 在本系統(tǒng)中，對各個(gè)模塊的調(diào) 試采用分步進(jìn)行，確定各個(gè)模

19、塊的獨(dú)立工作完整性，然后再對整個(gè)系統(tǒng)所有模塊 進(jìn)行完糅合，使其完成系統(tǒng)的所有功能。由按鍵選擇風(fēng)力擺的工作模式，單片機(jī)通過控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變風(fēng)力擺的擺 角。陀螺儀檢測風(fēng)力擺擺角將數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)，采用低通濾波進(jìn)行非線性信 號處理，然后進(jìn)行四元數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)卡爾曼濾波得到易于控制的線性信號，最后 由PID控制算法得到PWMS,由此調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力擺的規(guī)律運(yùn)動。系統(tǒng)主流程圖如圖3-5所示。基于stm32的旋轉(zhuǎn)倒立擺圖3-5系統(tǒng)主流程圖中斷流程圖如圖3-6所示。圖3-6中斷流程圖基于stm32的旋轉(zhuǎn)倒立擺4系統(tǒng)測試主要測試用的儀器在室溫條件下，測t所用儀器如表 4-1所示。表4-1測試儀器編R型號數(shù)量

20、1直尺1個(gè)2量角器1個(gè)3秒表1個(gè)4延時(shí)相機(jī)1個(gè)指標(biāo)測試結(jié)果測試風(fēng)力擺從處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開始，15秒內(nèi)激光筆是否能夠畫出50 cm的 直線段，是否能夠畫出自由設(shè)定 3060 cm的自由線段，風(fēng)力擺是否能夠按照設(shè) 定運(yùn)動，以及將風(fēng)力擺拉起30 45時(shí)能否靜止，共測試6組數(shù)據(jù)，如表4-2所 示。表4-2擺桿角度測試結(jié)果次數(shù)能否回出50 cm 的直線段能否畫出自由設(shè)定3060 cm的自由線段能否按照設(shè)定運(yùn) 動能否靜止1能臺匕 目匕能能2臺匕 目匕臺匕 目匕臺匕 目匕臺匕 目匕3臺匕 目匕臺匕 目匕臺匕 目匕臺匕 目匕4臺匕 目匕臺匕 目匕臺匕 目匕臺匕 目匕5臺匕 目匕臺匕 目匕臺匕 目匕臺匕 目匕6

21、臺匕 目匕臺匕 目匕臺匕 目匕臺匕 目匕基于stm32的旋轉(zhuǎn)倒立擺測試結(jié)果及誤差分析經(jīng)過測試，本系統(tǒng)基本完成了基礎(chǔ)部分的要求，完成情況如表 4-3所示表4-3測試結(jié)果題目要求完成情況基本部分(1)從靜止開始，15s內(nèi)控制風(fēng)力擺做類似自由擺運(yùn)動，使激光筆穩(wěn)定地在地面畫出一條長度不短于50cm的直線段，其線性度偏差不大于土 2.5cm,并且具有較好的重復(fù)性。完成(2)從靜止開始，15s內(nèi)完成幅度可控的擺動，回出長度在3060cm同口設(shè)置，長度偏差/、大于土 2.5cm的直線段， 并且具有較好的重復(fù)性。完成(3)在擺桿處于自然下垂?fàn)钊锵?，外力拉起擺桿至接近1650位置，外力撤除同時(shí)，啟動控制旋轉(zhuǎn)臂使擺桿保持倒立狀態(tài)時(shí)間不少于 5s；期間旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動角度不大于90 c完成續(xù)表4-3發(fā)揮部分(1)以風(fēng)力擺靜止時(shí)激光筆的光點(diǎn)為圓心，驅(qū)動風(fēng)力擺用激光筆在地囿回圓，30s內(nèi)需重復(fù)3次；圓半徑可在1535cm范圍內(nèi)設(shè)置，激光筆回出的軌跡應(yīng)落在指定半 徑2.5cm的圓劃、內(nèi)?；就瓿?2)在發(fā)揮部分(1)后繼續(xù)作圓周運(yùn)動，在距離風(fēng)力擺12m距高內(nèi)用一臺 5060W臺扇在水平方向吹向風(fēng)力擺， 臺扇吹5s后停止，風(fēng)力擺能夠在 5s內(nèi)恢復(fù)發(fā)揮部分(1) 規(guī)定的圓周運(yùn)動，激光筆回出符合要求的軌跡。基本完成經(jīng)過測試，本系統(tǒng)完成了預(yù)期的目標(biāo)誤差分析，由于STM32F103自身的精度，外圍電路中非線性元件，陀