風(fēng)力擺控制系統(tǒng)(B題)報(bào)告

PAGEPAGEII風(fēng)力擺控制系統(tǒng)（B題）【本科組】2015年8月15日摘

要

在當(dāng)今的現(xiàn)代化社會(huì)，科技發(fā)展迅速，尤其是單片機(jī)技術(shù)的開(kāi)發(fā)、發(fā)展以及應(yīng)用，出現(xiàn)了眾多基于單片機(jī)技術(shù)而研發(fā)的產(chǎn)品，為我們的生活提供了極大的方便。

本作品基于AT89S52單片機(jī)設(shè)計(jì)的風(fēng)力擺控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)選用AT89S52單片機(jī)為主控芯片，由風(fēng)力擺姿態(tài)檢測(cè)、算法處理、空心杯電機(jī)控制和液晶顯示等部分組成，以完成風(fēng)力擺控制的功能，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于運(yùn)動(dòng)控制的準(zhǔn)確性以及盡量縮短達(dá)到規(guī)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間。運(yùn)用mpu6050六軸陀螺儀實(shí)時(shí)獲取風(fēng)力擺的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，單片機(jī)處理姿態(tài)角數(shù)據(jù)后通過(guò)PID精確算法調(diào)節(jié)空心杯電機(jī)以控制風(fēng)力擺。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力擺在僅受空心杯電機(jī)為動(dòng)力控制下迅速起擺、畫(huà)線、恢復(fù)靜止的功能，并能準(zhǔn)確畫(huà)圓。具有良好的人機(jī)交互界面，各參數(shù)及測(cè)試模式可由按鍵輸入并通過(guò)液晶顯示，智能性好。關(guān)鍵詞：風(fēng)力擺控制；

AT89S52；mpu6050六軸陀螺儀；

精確；

迅速目錄摘要……………………..…………Ⅰ一、系統(tǒng)方案 11、控制器模塊的論證與選擇 12、角度檢測(cè)方法的論證與選擇 13、風(fēng)機(jī)的論證與選擇 2二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算 21、卡爾曼濾波算法 22、風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)控制的分析 33、PID算法 3三、電路與程序設(shè)計(jì) 41、電路的設(shè)計(jì) 4（1）系統(tǒng)總體框圖 4（2）電路原理圖 5（3）電源 52、程序的設(shè)計(jì) 5（1）程序功能描述與設(shè)計(jì)思路 5（2）程序流程圖 6四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果 61、測(cè)試方案 62、測(cè)試條件與儀器 63、測(cè)試結(jié)果及分析 7（1）測(cè)試結(jié)果(數(shù)據(jù)) 7（2）測(cè)試分析與結(jié)論 8五、結(jié)論與心得 8六、參考文獻(xiàn) 8PAGEPAGE12風(fēng)力擺控制系統(tǒng)（B題）【本科組】一、系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由單片機(jī)模塊、電源模塊、風(fēng)力驅(qū)動(dòng)模塊、液晶顯示模塊、mpu6050六軸陀螺儀傳感器模塊以及風(fēng)力擺機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，下面分別論證部分模塊的選擇。1、控制器模塊的論證與選擇根據(jù)題目要求，控制器主要用于傳感器信號(hào)的接收與辨認(rèn)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，顯示實(shí)時(shí)角度等。對(duì)控制器的選擇有以下兩種方案：

方案一：采用FPGA作為系統(tǒng)的控制器。FPGA可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減小了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用EDA軟件仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。FPGA采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。由檢測(cè)模塊輸出的信號(hào)并行輸入FPGA，F(xiàn)PGA通過(guò)程序設(shè)計(jì)控制監(jiān)控系統(tǒng)作出相應(yīng)的動(dòng)作，但由于其集成度高，使其成本偏高，同時(shí)由于芯片的引腳較多，實(shí)物硬件電路板布線布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作。

方案二：采用ATMEL公司的AT89S52作為系統(tǒng)控制器的CPU方案。單片機(jī)AT89S52是一種帶8K字節(jié)內(nèi)嵌可編程閃存的低功耗高性能的八位微控制器,看門狗定時(shí)器,雙數(shù)據(jù)指針,3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器,6個(gè)兩級(jí)中斷源結(jié)構(gòu),以及掉電模式下的自動(dòng)保存功能，且軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，符合本系統(tǒng)的要求。綜合以上兩種方案，選擇方案二。2、角度檢測(cè)方法（捕獲擺桿的姿態(tài)反饋單片機(jī)）的論證與選擇方案一：采用MMA7455加速度傳感器檢測(cè)平臺(tái)傾角。其核心為飛思卡爾公司的MMA7455L數(shù)字三軸加速度傳感器，它體積小，工作可靠。但其8位模式還是限制了其測(cè)量精度，在測(cè)量微小的角度變化上存在誤差。方案二：采用電位器檢測(cè)擺桿傾角。用電阻分壓方式可以實(shí)現(xiàn)電位器對(duì)角度變化的感應(yīng)，但必須經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換才能將信號(hào)傳給處理器處理。此時(shí)，電位器的靈敏度和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生直接影響，誤差一般很大。方案三：mpu6050六軸陀螺儀傳感器。mpu6050六軸陀螺儀傳感器容易實(shí)現(xiàn)對(duì)角度的測(cè)量，而且靈敏度非常高，mpu6050六軸陀螺儀的角速度全格感測(cè)范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec(dps)，可準(zhǔn)確追緃快速與慢速動(dòng)作。移除加速器與陀螺儀軸間敏感度，降低設(shè)定給予的影響與感測(cè)器的飄移。數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理(DMP:DigitalMotionProcessing)引擎可減少?gòu)?fù)雜的融合演算數(shù)據(jù)、感測(cè)器同步化、姿勢(shì)感應(yīng)等的負(fù)荷。內(nèi)建之運(yùn)作時(shí)間偏差與磁力感測(cè)器校正演算技術(shù)，免除了客戶須另外進(jìn)行校正的需求。而且最大的特點(diǎn)是本身是最小最薄包裝圖1mpu6050六軸陀螺儀傳感器實(shí)物圖圖2mpu6050芯片綜合以上三種方案，選擇方案三。3、風(fēng)機(jī)的論證與選擇方案一：采用小型直流風(fēng)機(jī)。調(diào)速性能好、控制簡(jiǎn)單，功率因數(shù)高，損耗小，逆變器容量低，因此逆變器成本低；但由于其體積較大，很占用地方，并且重量較大，不容易擺動(dòng)。方案二：采用空心杯電機(jī)。所需電壓小，體積和質(zhì)量小，容易控制，能在較短時(shí)間內(nèi)是風(fēng)力擺擺動(dòng)和制動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)速度快，配上螺旋槳能夠達(dá)到較大風(fēng)力，足以使風(fēng)力擺擺的幅度符合要求。圖3左：空心杯右：小型直流風(fēng)機(jī)二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算1、卡爾曼濾波算法現(xiàn)設(shè)線性時(shí)變系統(tǒng)的離散狀態(tài)方程和觀測(cè)方程為：X(k)=F(k,k-1)·X(k-1)+T(k,k-1)·U(k-1)Y(k)=H(k)·X(k)+N(k)其中X(k)和Y(k)分別是k時(shí)刻的狀態(tài)矢量和觀測(cè)矢量F(k,k-1)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣U(k)為k時(shí)刻動(dòng)態(tài)噪聲T(k,k-1)為系統(tǒng)控制矩陣H(k)為k時(shí)刻觀測(cè)矩陣N(k)為k時(shí)刻觀測(cè)噪聲則卡爾曼濾波的算法流程為：1.預(yù)估計(jì)X(k)^=F(k,k-1)·X(k-1)2.計(jì)算預(yù)估計(jì)協(xié)方差矩陣C(k)^=F(k,k-1)×C(k)×F(k,k-1)'+T(k,k-1)×Q(k)×T(k,k-1)'Q(k)=U(k)×U(k)'3.計(jì)算卡爾曼增益矩陣K(k)=C(k)^×H(k)'×[H(k)×C(k)^×H(k)'+R(k)]^(-1)R(k)=N(k)×N(k)'4.更新估計(jì)X(k)~=X(k)^+K(k)×[Y(k)-H(k)×X(k)^]5.計(jì)算更新后估計(jì)協(xié)防差矩陣C(k)~=[I-K(k)×H(k)]×C(k)^×[I-K(k)×H(k)]'+K(k)×R(k)×K(k)'6.X(k+1)=X(k)~C(k+1)=C(k)~重復(fù)以上步驟2、風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)控制的分析風(fēng)力擺采用4只20W的空心杯電機(jī)為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。陀螺儀傳感器模塊采集風(fēng)力擺當(dāng)前角度，單片機(jī)處理角度信息調(diào)節(jié)輸出PWM的占空比，控制四只電機(jī)的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力擺的控制。3、PID算法本系統(tǒng)采用PID算法來(lái)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。風(fēng)機(jī)開(kāi)始工作后，姿態(tài)采集模塊不斷采集當(dāng)前風(fēng)力擺姿態(tài)角狀態(tài)，并與之前的狀態(tài)比較，使得風(fēng)力擺的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)逐漸趨向于平穩(wěn)。PID算法控制器由轉(zhuǎn)動(dòng)角度比例P、角度誤差積分I和角度微分D組成。其輸入e(t）與輸出U(t）的關(guān)系為：它的傳遞函數(shù)為：風(fēng)力擺轉(zhuǎn)動(dòng)角度比例P：對(duì)風(fēng)力擺角速度進(jìn)行比例調(diào)整，即對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度調(diào)整。比例越大，調(diào)節(jié)速度越快。但不能過(guò)大，過(guò)大可能造成四風(fēng)機(jī)因工作狀態(tài)突變而是擺桿不穩(wěn)定。角度誤差積分I：使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差,提高無(wú)差度。加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。本系統(tǒng)追求更快更穩(wěn)完成對(duì)風(fēng)力擺的控制，因此，本系統(tǒng)對(duì)積分調(diào)節(jié)的需要就非常弱。即保證在不需要時(shí)系統(tǒng)不會(huì)受到影響。角度微分D：微分作用反映風(fēng)力擺角度的變化率，即角速度。具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)因此能產(chǎn)生超前的控制作用,在偏差還沒(méi)有形成之前,已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此,可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適情況下,減少調(diào)節(jié)時(shí)間。三、電路與程序設(shè)計(jì)1、電路的設(shè)計(jì)（1）系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，是特定直流電機(jī)啟動(dòng)，再經(jīng)過(guò)陀螺儀傳感器將位置角度反饋給單片機(jī)，以實(shí)現(xiàn)控制方向的目的。LCD12864顯示 LCD12864顯示單片機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)按鍵按鍵mpu6050六軸陀螺儀傳感器mpu6050六軸陀螺儀傳感器（擺桿）直流電機(jī)圖4系統(tǒng)總體框圖（2）電路原理圖圖5L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖圖6最小系統(tǒng)原理圖（3）電源電源由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個(gè)系統(tǒng)提供5V或者12V電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作。這部分電路比較簡(jiǎn)單，故不作詳述。2、程序的設(shè)計(jì)在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過(guò)程控制兩個(gè)基本類型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。過(guò)程控制程序主要是使單片機(jī)按一定的方法進(jìn)行計(jì)算，然后再輸出，以便控制。（1）程序功能描述與設(shè)計(jì)思路1、程序功能描述讀陀螺儀傳感器角度并計(jì)算、控制L298n驅(qū)動(dòng)、控制擺桿擺動(dòng)狀態(tài)、液晶顯示、鍵盤控制、數(shù)據(jù)匯總并作出判斷。1）從靜止開(kāi)始，15s內(nèi)使激光筆在地面畫(huà)出一條長(zhǎng)度不短于50cm的直線段。2）從靜止開(kāi)始，15s內(nèi)畫(huà)出一條長(zhǎng)度可設(shè)定（30~60cm）的直線段。3）從靜止開(kāi)始，15s內(nèi)按照設(shè)置的方向擺動(dòng)，畫(huà)出不短于20cm的直線段。4）將風(fēng)力擺拉起一定角度（30°~45°）放開(kāi)，5s內(nèi)使風(fēng)力擺制動(dòng)達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)。5)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)力擺用激光筆在地面畫(huà)圓（圓半徑15~35cm），30s內(nèi)需重復(fù)3次。2、程序設(shè)計(jì)思路1）用按鍵控制五個(gè)程序功能的切換。2）將陀螺儀傳感器發(fā)送過(guò)來(lái)的姿態(tài)角度通過(guò)單片機(jī)的計(jì)算后，執(zhí)行相應(yīng)的程序，控制相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。3）同時(shí)用液晶顯示相應(yīng)信息，達(dá)到很好人機(jī)交互效果。（2）程序流程圖本系統(tǒng)采用按鍵輸入各參數(shù)及測(cè)試模式，系統(tǒng)開(kāi)機(jī)啟動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)初始化界面，按下指定按鍵后進(jìn)入顯示界面，菜單選擇界面有5個(gè)功能：分別對(duì)應(yīng)題目基本要求和發(fā)揮部分5點(diǎn)，通過(guò)按鍵可以選擇進(jìn)入相應(yīng)的功能，功能執(zhí)行完畢后系統(tǒng)按鍵回到菜單選擇界面，繼續(xù)等待按鍵輸入執(zhí)行相應(yīng)的功能。開(kāi)始主程序流程圖開(kāi)始初始化初始化是否按鍵是否按鍵在5s內(nèi)由運(yùn)動(dòng)變?yōu)殪o止畫(huà)圓直線段方向可設(shè)定≥20在5s內(nèi)由運(yùn)動(dòng)變?yōu)殪o止畫(huà)圓直線段方向可設(shè)定≥20cm直線段30~60cm長(zhǎng)度可設(shè)定15s內(nèi)畫(huà)出直線段≥50cm程序更新程序更新圖7主程序流程圖四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果1、測(cè)試方案1）硬件測(cè)試：測(cè)試機(jī)械部分能否正常工作，各項(xiàng)參數(shù)是否準(zhǔn)確。同時(shí)，檢查電路焊接是否正確，各部分接線是否正確。2）軟件仿真測(cè)試：用Multisim軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真3）硬件軟件聯(lián)調(diào)：用實(shí)現(xiàn)的編程算法控制硬件系統(tǒng)進(jìn)行工作。檢測(cè)整個(gè)系統(tǒng)是否實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)要求。2、測(cè)試條件與儀器測(cè)試條件：檢查多次，機(jī)械部分必須正常工作且參數(shù)正確。仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無(wú)誤，硬件電路保證無(wú)虛焊。測(cè)試儀器：量角器、尺子、秒表。3、測(cè)試結(jié)果及分析測(cè)試結(jié)果時(shí)間/s誤差1誤差2誤差3誤差4誤差5第1次測(cè)試第2次測(cè)試第3次測(cè)試1）使激光筆在地面穩(wěn)定地畫(huà)出一條長(zhǎng)度不短于50cm的直線段。來(lái)回5次，記錄其由靜止至開(kāi)始自由擺時(shí)間及最大偏差距離。測(cè)試結(jié)果如表1所示表一風(fēng)力擺畫(huà)長(zhǎng)于50cm直線測(cè)試時(shí)間/s誤差1誤差2誤差3畫(huà)30cm直線畫(huà)40cm直線畫(huà)50cm直線畫(huà)60cm直線2）使激光筆在地面畫(huà)出一條長(zhǎng)度可設(shè)定（30~60cm）的直線段，記錄其由靜止至開(kāi)始自由擺時(shí)間及在畫(huà)不同長(zhǎng)度直線時(shí)的最大偏差距離。測(cè)試結(jié)果如表2所示。表2風(fēng)力擺畫(huà)不同長(zhǎng)度直線測(cè)試3）按照設(shè)置的方向擺動(dòng)，記錄其由靜止至開(kāi)始自由擺時(shí)間及在畫(huà)不同角度直線時(shí)的最大偏差距離。測(cè)試結(jié)果如表3所示。時(shí)間/s誤差1誤差2誤差3畫(huà)0°直線畫(huà)45°直線畫(huà)90°直線畫(huà)135°直線表3風(fēng)力擺畫(huà)不同角度直線測(cè)試?yán)?0°拉起35°拉起40°拉起45°時(shí)間（1）/s時(shí)間（2）/s時(shí)間（3）/s4）將風(fēng)力擺拉起一定角度（30°~45°）放開(kāi)，測(cè)試風(fēng)力擺制動(dòng)達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)所用時(shí)間。測(cè)試結(jié)果如表4所示。表4風(fēng)力擺恢復(fù)靜止測(cè)試5）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)力擺用激光筆在地面畫(huà)圓，記錄其畫(huà)三次圓所用時(shí)間以及最大偏差距離畫(huà)圓第1次第2次第3次半徑/cm最大偏差/cm時(shí)間/s表5風(fēng)力擺畫(huà)圓測(cè)試測(cè)試分析與結(jié)論根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)滿足各項(xiàng)基本要求，由此可以得出以下結(jié)論：1）mpu6050六軸陀螺儀傳感器作為角度傳感器使用精確，靈敏度高，