风力摆控制系统论文

1、风力摆控制系统摘 要：本系统采用STM32F103ZET6单片机作为控制核心，通过对置于风力摆上的MPU9150陀螺仪采集的角度进行处理得到角度与风力摆位置的关系，再通过驱动输出PWM波控制轴流风机，使风力摆到达指定的位置，做规定的圆周运动。本系统通过PID调试，测试表明，各项功能已达到或超过本题目要求。关键词：MPU9150；PID；轴流风机1. 系统方案本系统主要由主控制器，陀螺仪，电机驱动模块，轴流风机，激光笔组成，下面分别对这几个模块进行选择与论证。1.1陀螺仪的选择方案一：MPU6050。 9轴运动处理传感器，它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字数字

2、运动处理器DMP，可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。MPU-6050对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。一个片上1024字节的FIFO，有助于降低系统功耗。但零飘较严重。方案二：角度传感器。当连结到RCX上时，轴每转过1/16圈，角度传感器就会计数一次。往一个方向转动时，计数增加，转动方向改变时，计数减少。计数与角度传感器的初始位置有关。当初始化角度传感器时，它的计数值被设置为0。角度传感器一般测静态的角度，倾角用加速度计。明显在本系统中角度传感器不如陀螺仪方便使用。方案三：MPU9150。MPU-9150 是采用系统级封装

3、(SiP)，集合了两个芯片：MPU-6050 和 3 轴数字罗盘 AK8975，其中 MPU-6050 包含 3 轴陀螺仪、3 轴加速计以及能够处理复杂 9 轴 MotionFusion 算法的板载 Digital Motion Processor (DMP) 。 这款元件集成 9 轴 MotionFusion 算法，能够访问所有内部传感器，以收集全套传感器数据。MPU9150测转角的速度的，可以积分得到转的角度，动态性能好，静态差，零飘基本无，很适合本系统。综合考虑后决定采用方案三。1.2轴流风机的选择方案一：四线可测速、包含温控PWM调速轴流风机。此种轴流风机一般重量较大，启动时间长，虽然

4、风量大但明显不适合本系统的实时检测调整的思路。方案二：三线可测速轴流风机。此种轴流风机重量较轻，启动时间短，直接接驱动即可对其进行控速，风量也很大，比较符合题目各项要求的时间限制。综合考虑后决定采用方案二。1.3轴流风机个数与方位选择方案一：两个轴流风机。两个轴流风机的摆放有两种方式，背对摆放和呈直角摆放。第一种方式只有两个方向的摆角，而垂直摆放则只有180°的摆角。方案二：三个轴流风机。三个轴流风机呈等边三角形摆放，虽360°都可以达到，但是每两个轴流风机的夹角是钝角，合成后的力大大减小。方案三：四个轴流风机。四个轴流风机两两垂直摆放，合力方向遍布360°，且合

5、力的方向方便计算，合力的大小方便控制。综合考虑后选择方案三。1.4电机驱动的选择方案一：ULN2003电机驱动模块。高耐压、大电流复合晶体管ICULN2003，ULN2003 是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN 复合晶体管组成。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003电机驱动模块电路简单，既可控制直流电机又可控制步进电机。由于电流的限制，只能驱动小型电机。方案二：可实现电机正反转及调速,启动性能好，启动转矩大,工作电压可达到36V，可持续工作电流2A,此题中可同时驱动两台直流电机

6、。TLP521-4光隔，L298N有过电流保护功能，当出现电机卡死时，可以保护电路和电机等。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，板载5V线性电源输出，纹波小，对单片机毫无干扰。综合考虑轴流风机的工作电流，决定采用方案二。2. 系统理论分析与计算2.1PID的原理与运用PID即比例、积分和微分，比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t）与输出u (t）的关系为：u(t)=kpe(t)+1/TIe(t)dt+TD*de(t)/dt 积分的上下限分别是0和t因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp1+1/(TI*s)+TD*s 其中kp为比例系数； TI为

7、积分时间常数； TD为微分时间常数。本系统中只用到了P和D，即比例和微分。陀螺仪的读出的角度传递给PID公式，PID公式计算后算出PWM值对电机进行调节。Pitch的返回值对3、4号电机进行调节，roll的返回值对1、2号电机进行调节，这样就可以实现风力摆的360°的摆动。2.2风力摆系统与其空间模型风力摆的实际模型如图一所示，其建立的空间模型竖直截面如图二所示，横向截面如图三所示，风力摆空间模型如图四所示。 图一 图二 如图二所示，根据直角公式可以得出h、与r之间的关系：，又结构一定时，已知h的值，由角度传感器可以得出的值，所以r的值即可求出。如图一与图三所示，本系统在摆杆的下方放

8、置一十字形的木板平台，在其四个相互垂直的方向放置四个相同型号的轴流风机，四个轴流风机面向外放置，当其一的轴流风机转动时，摆杆则向其相反的方向摆。例如，仅仅轴流风机1转动时，摆杆则向180°的方向摆动。又相邻两个轴流风机可以通过控制其PWM而得到不 图三 同合力F，所以360°的方向都可以得到，在此理论基础上，风力摆在横截面上可以做圆周运动。理论计算：设轴流风机的风力分别为F1、F2、F3和F4，对V1和V3的合力F进行分析，F的大小：F的方向： 空间方程建立： 图中是陀螺仪与摆杆（z轴）的夹角，陀螺仪测出的Roll与Pitch分别是陀螺仪在xoz平面的投影，以及陀螺仪在yo

9、z平面上的夹角；根据几何推导，我们可以列出方程： 确定的值，将陀螺仪测出的Roll和Pitch分别代入PID公式，整定参数，测得电机需要的PWM，即可做圆周运动；是电机（或陀螺仪）与Y轴（0度测试线）的夹角，根据几何推导，我们 图四 可以列出以下方程确定以上的，可以得出Roll和Pitch的关系，代入PID公式，整定参数，测得电机需要的PWM值，即可按不同角度画直线。2.3陀螺仪的原理 在3D图形学中，最常用的旋转表示方法便是四元数和欧拉角，比起矩阵来具有节省存储空间和方便插值的优点，计算公式采用3D笛卡尔坐标系，定义绕Z轴、Y轴、X轴的旋转角度分别为Yaw、Pitch、Roll，如图五所示，

10、 通过旋转轴和绕该轴旋转的角度可以构造一个四元数：；。其中是绕旋转轴旋转的角度，为旋转轴在x,y,z方向的分量（由此确定了旋转轴）。 本系统中根据陀螺仪得到的Pitch、Roll来的到风力摆的角度，返回给PID。3. 总体设计3.1系统构架与功能本系统主要由激光笔，轴流风机，L298N电机驱动，矩阵键盘等组成。STM32F103ZET6接收到陀螺仪收到的欧拉角，再进行PID调节得到PWM，将PWM返回到轴流风机，轴流风机控制转速使风力摆达到不同的角度，陀螺仪实时检测。如图六所示。 图六3.2硬件电路图图七为驱动L298N的电路图，图八为MPU9150的电路图。 图五 图六3.3程序流程图 图七

11、4. 系统测试与总结测试仪器：YB1731A2A直流稳压电源，秒表，直尺。1. 基础部分一表格，测试十次均达到所要求，其距离与时间列表如下：距离53cm54cm52cm53cm52cm54cm55cm52cm56cm56cm时间12.5s13.7s12.1s12.4s12.2s13.6s13.7s12.2s13.8s13.9s2. 基础部分二表格，表中时间数据为十次测试的平均值，其距离如下图所示：距离30cm35cm40cm45cm50cm55cm60cm时间5.3s6.2s6.7s8.5s10.1s11.2s12s3. 基础部分三表格，表中数据均在画出不短于20cm的直线段的条件小测出，每个

12、角度的时间为5次试验数据的平均值，其设置的角度与到达稳定的时间如下图所示：角度30°45°50°70°100°120°160°180°时间10s12.2s15s16s16.2s16.5s16.4s16.7s4. 基础部分四表格，将风力摆拉起一定的角度（30°45°）放开，制动达到静止的时间如下图所示：时间4.5s5.1s4.3s4.6s4.6s4.7s5.2s4.4s4.5s4.6s5. 发挥部分一表格，所画圆的半径在15cm35cm内可设置，表中的重复次数均为10次试验数据的平均值，结果如下图所示：半径15cm20cm23cm28cm31cm33cm35cm重复次数4556546实验证明本系统能成功达到题目的要求，且结构稳定完全适应做风力摆，从结构到算法队员都亲力亲为，讨论结构，分析方案，分析算法。此系统中轴流风机是一个关键，之前轴流风机的选择不正确，怎样系统都摆不起来，后来换了适宜的之后，程序算法就比较顺利了。算法也是此题的难点，算法基本确定使用PID之后就开始调试，过