2015B题风力摆控制系统设计报告.pdf-资料库

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竞赛题目：风力摆控制系统（B 题）

风力摆控制系统（B 题）摘要本系统以 STM32 单片机作为控制系统的检测和控制中心，通过 4 个轴流风机形成风力摆。以风力为动力，通过 MPU-6050 陀螺仪和加速度计实时采集风力摆姿态信息，经过卡尔曼滤波器处理后采用 PID 算法进行精确调节,通过不断的反馈就可以精确控制风力摆的运动轨迹。本系统能够在较短时间内完成所有指定要求。关键字：风力动力，PID 自动控制，卡尔曼滤波，陀螺仪和加速度计 Abstract STM32 microcontroller as the control system of the detection and control center, through the formation of 4 axis wind turbine. With the wind as the driving force, the attitude information of the wind pendulum is acquired through the MPU-6050 gyroscope and accelerometer, and the algorithm is adopted to adjust the PID algorithm after the processing. With constant feedback, the trajectory of the wind can be accurately controlled. The system can complete all the specified requirements in a short time. Key words: wind power, PID automatic control, Calman, gyroscope and accelerome

目录 1.引言 ............................................................................................................................. 1 1.1 对题目的理解 .................................................................................................. 1 1.2 设计思路及特点 .............................................................................................. 1 2.方案设计 ..................................................................................................................... 1 2.1 方案论证和比较 .............................................................................................. 1 2.1.1 角度测量模块 ....................................................................................... 1 2.1.2HMI 模块 ............................................................................................... 1 2.1.3 电机选择 ............................................................................................... 2 2.1.4 硬质管棒选择 ....................................................................................... 2 2.2 系统设计 .......................................................................................................... 2 2.2.1 系统总体设计 ....................................................................................... 2 2.2.2 系统详细框图 ....................................................................................... 2 2.3 硬件电路设计 .................................................................................................. 3 2.3.1 控制器电路 ........................................................................................... 3 2.3.2 电机部分 ............................................................................................... 3 2.3.3 角度传感器部分 ................................................................................... 3 2.3.4 电源部分 ............................................................................................... 4 2.4 软件部分设计 .................................................................................................. 4 2.4.1 软件组成 ............................................................................................... 4 2.4.2 软件流程 ............................................................................................... 4 3.设计实现 ..................................................................................................................... 5 3.1 角度传感器（陀螺仪和加速度计） .............................................................. 5 3.2 风力摆 .............................................................................................................. 5 4.系统测试 ..................................................................................................................... 5 4.1 测试仪器与工具 .............................................................................................. 5 4.2 测试方法 .......................................................................................................... 5 4.3 数据记录 .......................................................................................................... 5 4.4 测试结果 .......................................................................................................... 6 5.结论 ............................................................................................................................. 6 参考文献 .........................................................................................................................I 附录 ............................................................................................................................... II

1.引言 1.1 对题目的理解我们认为该题就是做一个简易飞行器，精确控制风力摆的运动轨迹，让风力摆能够在风机合成风力的作用下运动。 1.2 设计思路及特点该风力摆始终能够根据给定轨迹周期运动，其原理是四个风机不同速度产生不同大小的风力，依靠四个不同方向的风机所产生不同大小的风力来确定风力摆的运动方向和速度，从而完成要求的运动轨迹。其中，风机转速采用 PWM 直流斩波的方式来控制。同时，在风机上安装有陀螺仪，构成了主要的反馈通道，在单闭环控制下，控制器根据当前姿态的反馈信号和给定信号计算出偏差，并通过一定的 PID 算法来控制四个风机转速来控制风力摆的运动。 2.方案设计 2.1 方案论证和比较 2.1.1 角度测量模块角度测量模块是该设计中的一个重要部分，其功能是实时检测风力摆的角度和加速度，并将相关参数反馈到控制器。该模块方案比较如下：方案一：采用角度传感器。其利用磁敏元件非接触地感应磁场强度的变化, 实现对角度的测量。但由于其频响特性差，截至频率小，精度差，不宜机械安装。方案二：采用加速度计和陀螺仪整合在一起的 mpu6050 数字传感器。本设计中用陀螺仪和加速度计共同控制风力摆的运动姿态。方案选择：方案一中角度传感器测量精确度低，而方案二整合了加速度计和陀螺仪共同控制风力摆的姿态，更有利于达到系统快速精确性能，故采用方案二。 2.1.2HMI 模块本设计中 HMI 的功能是输入各种给定参数以及实时显示风力摆携带的激光所画出的图形。该模块方案比较如下：方案一：采用独立键盘加 1602 液晶显示屏。该方案原理用法都比较简单，但占用空间大，用途少，灵活性差，1602 界面不是很友好。方案二：采用工控 LCD 屏。该液晶屏界面可设置为彩色，可触摸，可通过触摸输入所需要的参数，实时显示需要的图形，界面友好，十分便捷。方案选择： LCD 屏方案较方案一带有触摸功能，可以任意输入所需参数，也可以随意切换界面，所显示的界面美观，用法简便，故采用方案二。 1

2.1.3 电机选择电机是整个方案设计的关键，该设计的唯一动力就是风机风力。该部分方案比较如下：方案一：轴流风机。该风机直径 5-10cm、电压 DC 5-12V，电压越大，转速越快，风力越大。但该轴流风机质量大，会直接导致风力不足以带动风力摆运动。方案二：720 空心杯电机。该电机是超强磁空心杯电机，尺寸 7mm*20mm，转速高达 45000r/min，电压为 DC 3.7V。风力大，质量为 3g，噪音震动很小。方案选择：方案二的 720 空心杯较轴流风机不仅质量轻，转速快，所需电压小，而且噪音震动等很多方面都明显优于轴流风机，故采用方案二。 2.1.4 硬质管棒选择方案一：粗单股导线。粗单股导线可以减少自旋，但该导线易形变，有明显误差。方案二：碳素纤维杆。由于使用碳纤维，碳素杆高温耐久，而且质轻高强，既能减少自旋，也能减少杆形变带来的误差，提高设计的准确性。方案选择：方案一中的粗单股导线，由于其易变形等因素，容易产生误差，而方案二中的碳素杆，不仅质轻而且耐久，非常适合本次设计。故采用方案二。 2.2 系统设计 2.2.1 系统总体设计经过上述分析论证，最终方案如表 1 所示：模块部分单片机角度传感器操作显示电机硬质管棒电源选择方案选择 STM32F103ZET6 MPU6050 传感器工控 LCD 屏（可触摸） 720 空心杯电机碳素纤维杆开关电源表 1 最终方案 2.2.2 系统详细框图确定了系统总体设计方案后，系统的详细设计框图如图 1 所示。 2

图 1 系统总体设计框图 2.3 硬件电路设计 2.3.1 控制器电路本设计使用的控制器核心为 STM32F103ZET6，使用 PWM 通道输出四路 PWM 波分别对四个电机进行控制，控制器通过 I2C 与 MPU_6050 进行通信，实时监测风力摆运动状态；采用 UART1 与 LCD 屏进行通信，实现人机交互。 2.3.2 电机部分该部分主要由空心杯电机和驱动电路组成。利用单 MOS 管作电机驱动，通过控制单 MOS 管门极来控制电机启停。根据所选电机额定电流 1A，我们选择 LR7843 作驱动芯片。电机扩展电路和电机驱动原理图分别如图 2、图 3 所示。图 2 空心杯电机扩展电路原理图 2.3.3 角度传感器部分图 3 电机驱动原理图 MPU-6050 传感器集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计以及一个可扩展的数字运动处理器 DMP。陀螺仪可测范围为±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps）。在本设计陀螺仪选择精度为 0.1°/秒（dps）。MPU-6050 传感器电路如图 4 所示。 3 电源输出3.3V/3.7V/5V姿态检测/角度测量风力摆电机HMI人机交互主控系统I2CPWM 通道UART1PWM1控制器STM32F103ZET6MPU-6050工控可触摸LCD屏电机驱动M1M2M3M4PWM3PWM4PWM2PWM3STM32最小系统M4.2VR1R2IRLR7843

2.3.4 电源部分图 4 MPU-6050 传感器电路系统的电源由开关电源(DC 12V 20A)提供，并通过正向低压降稳压器 AMS117 得到 3.3V 和 5V，分别给单片机和 LCD 供电；通过升压型直流电源芯片 XL6009E1 得到 4.2V，供给四个风机。 2.4 软件部分设计 2.4.1 软件组成该设计的整体程序包括初始化程序、 PID 算法程序、电机控制程序、 MPU_6050 检测程序、人机交互程序等部分。 2.4.2 软件流程通过 HMI 的输入来切换基础部分和发挥部分。程序流程图如下图 5 所示。图 5 软件总体程序流程图 4 开始系统初始化传感器MPU-6050初始化用户是否有输入？输入风力摆运动轨迹为直线？使风力摆运动轨迹为直线输入风力摆运动轨迹为圆形？NYY使风力摆运动轨迹为圆形输入风力摆刹车命令？NY使风力摆刹车YNN

3.设计实现 3.1 角度传感器（陀螺仪和加速度计）遇到问题：传感器的数字量输出所含谐波较大造成电机震荡比较严重。解决方案：采用一定方式的滤波处理。遇到问题：对传感器传出的数字量进行滤波处理发现会造成延迟现象。解决方案：选用滤波周期较短的滤波方式或适当增加采样时间。 3.2 风力摆遇到问题：风力摆运动轨迹精度差。解决方案：一方面对控制器 PID 算法参数进行进一步优化，另一方面对电机输入输出环节进行 PID 调节，提高电机的响应速度。 4.系统测试 4.1 测试仪器与工具示波器、万用表、秒表、风力摆方向角度调试用图。 4.2 测试方法使调试用图置于风力摆正下方，风力摆静止时激光正好对应图的圆心。通过人机交互界面观测风力摆姿态信息，并利用秒表计时。 4.3 数据记录对基本要求和发挥部分的测试结果分别如表 2 和表 3 所示。基本要求 1 基本要求 2 给定值 L：60 L1：30 L2：40 L3：45 L4：30 基本要求 3 θ=30o、60o、150o 基本要求 4 30o-45o 时间 t(s) 实际值(cm) 误差(cm) 6 6 7.5 5.5 6.5 3 2-5 62 32.5 42 43 32 75 2 2.5 2 2 2 表 2 基本要求测试结果 5

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