風(fēng)力擺控制系統(tǒng)-設(shè)計報告(共18頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上大學(xué)生電子設(shè)計競賽風(fēng)力擺控制系統(tǒng) 學(xué) 院: 計 算 機(jī) 學(xué) 院 項(xiàng) 目： 風(fēng)力擺控制系統(tǒng) 負(fù) 責(zé) 人： 王 賢 朝 指導(dǎo)老師： 張 保 定 時 間： 2017年5月20日專心-專注-專業(yè)摘 要 本系統(tǒng)采用K60開發(fā)板作為控制中心，與萬向節(jié)、擺桿、直流風(fēng)機(jī)（無刷電機(jī)+扇葉）、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PWM波給電機(jī)調(diào)速器，控制4個方向上風(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)及時矯正，防止脫離運(yùn)動軌跡。使用指南針模塊

2、判別方向，控制系統(tǒng)向指定方向偏移。控制方式采用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)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：K60、空心杯電機(jī)、MPU6050、PID、無線藍(lán)牙 目 錄 3.1.1電路.3風(fēng)力擺控制系統(tǒng)（B題）【本科組】1、 系統(tǒng)方案1.1 系統(tǒng)基本方案1.1.1 控制方案設(shè)計為了實(shí)現(xiàn)題目要求我們采用K60單片機(jī)做為主控芯片，用加速度計陀螺儀模塊MPU6050來計算角度和風(fēng)機(jī)狀態(tài)，用直流風(fēng)機(jī)帶動擺桿運(yùn)動。當(dāng)MPU6050檢測到擺桿的角度時，可根據(jù)三角函數(shù)公式計

3、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PWM波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，給四個風(fēng)機(jī)同時上電且風(fēng)向都向外，此時擺桿仍處于受力平衡靜止?fàn)顟B(tài)。此時降低X軸上一個風(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，單片機(jī)可根據(jù)角度計算出此時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)機(jī)隨時做出矯正，防止發(fā)生軌跡偏移。 1.1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計由于擺桿

4、長度（60cm70cm）較長，且要求激光頭在地面畫出15cm35cm的圓，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。1.2 各部分方案選擇與論證1.2.1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

5、，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，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，同時產(chǎn)生較大的風(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個風(fēng)機(jī)固定到一起時，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。方案三： 采用無刷電機(jī)，風(fēng)力較大，重量適中，完全能達(dá)到題目運(yùn)動狀態(tài)要求，速度控制精確，但須配套電機(jī)調(diào)速器。綜合考慮，我們選擇方案二

6、。1.2.2 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)，此驅(qū)動BTN7971B驅(qū)動芯片。1.2.3 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：擺桿使用硬質(zhì)碳素桿材料，通過萬向軸與橫桿相連。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，擺桿來回擺動不易發(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)約時間。1.2.4 擺桿與風(fēng)機(jī)的連接選擇方案一：擺桿與風(fēng)機(jī)之間使用一個直流電機(jī)或者舵機(jī)連接，這樣

7、可以隨時改變風(fēng)機(jī)的方向，同時可減少風(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。2、 系統(tǒng)理論分析與計算2.1風(fēng)力擺位置的計算與分析通過加速度計陀螺儀模塊MPU6050檢測風(fēng)力擺擺桿的傾角數(shù)據(jù)。MPU6050集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計?？筛鶕?jù)三角函數(shù)公式，可計算出此時擺桿距離中心位置的距離(見圖3）。內(nèi)部有一個數(shù)字運(yùn)動處理器DMP。測試過程中，MPU6050與單片機(jī)之間進(jìn)行通信，距離較長，走線較多，干擾較大導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)確，所以在SCL與SDA上拉2K電

8、阻，解決采樣問題。內(nèi)置卡爾曼濾波器，采用最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法精確測量風(fēng)力擺當(dāng)前姿態(tài)角。MPU6050對陀螺儀和加速度計分別采用了16位的ADC，將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量，通過DMP處理器讀取測量數(shù)據(jù)然后通過串口輸出。1 MPU6050可測量出出1的角度 由圖中可知所以1=2；根據(jù)三角函數(shù)式 （60cm<L<70cm) 可求出擺桿偏移中心的距d。22 2.2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閾值，可通過擺動半徑R（R>=25cm）直接計算出。然后，通過開環(huán)調(diào)節(jié)，從低到高改變風(fēng)機(jī)的風(fēng)

9、速，直到擺桿的角度超過閾值，記下此時PWM波脈寬級作用時間。要繪制50cm直線，只需R>25cm（R為地面運(yùn)動軌跡的一半）在平面內(nèi)運(yùn)動即可則其中L為擺桿與激光頭的長度，a為激光頭到地面的距離（a<=20cm）基本要求（2）擺動幅度可控，屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，公式計算與（1）相同設(shè)置直線長度（30cm<<60cm）MPU6050將傾角，角速度送給單片機(jī)，單片機(jī)控制風(fēng)機(jī)來產(chǎn)生推力使擺桿擺動。2.3控制算法的分析切線方向系統(tǒng)采用PID算法來控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動的速度，風(fēng)機(jī)開始工作后，MPU6050不斷采集當(dāng)前擺桿擺腳狀態(tài)，并與之前的狀態(tài)進(jìn)行比較，使得擺桿運(yùn)動狀態(tài)趨于穩(wěn)定。PID算法控制器

10、由4個風(fēng)機(jī)速度分配比例P角度誤差積分I角度微分D組成。2其輸入e（t）與輸出U（t)關(guān)系為：徑向413o他的傳遞函數(shù)為：在發(fā)揮部分（1）時，要求做圓周運(yùn)動。四個直流風(fēng)機(jī)1、2、3、4,1和3用來使擺桿與重力方向呈現(xiàn)設(shè)置的夾角，2和4用來推動擺桿沿切線方向運(yùn)動，這樣通過控制1、3電機(jī)的PID參數(shù)使擺桿達(dá)到設(shè)定的角度，通過2和4推動擺桿，擺桿就會沿切線運(yùn)動，繪制圓形軌跡。3、 電路與程序設(shè)計3.1電路的設(shè)計圖10 按鍵模式選擇3.1.1電路設(shè)計 系統(tǒng)整體使用K60控制芯片，使用手機(jī)或者電腦通過藍(lán)牙進(jìn)行演示控制，MPU6050陀螺儀控制方向角度。3.1.2電源系統(tǒng)整體采用電池電源供電，電壓是7.2V

11、，空心杯電機(jī)平均所需電流為0.1A，電源可滿足需求。供給4個并聯(lián)電機(jī)驅(qū)動（電調(diào)）帶動風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動，5V給單片機(jī)供電，單片機(jī)自帶穩(wěn)壓輸出3.3V給MPU6050供電，電機(jī)驅(qū)動本身也可穩(wěn)壓輸出5V，給激光頭（3.3V)供電。3.2程序的設(shè)計3.2.1程序功能描述與設(shè)計思路 1、程序功能描述 系統(tǒng)采用藍(lán)牙模塊控制，可通過手機(jī)或者電腦就行指令輸入，令風(fēng)力擺作出相應(yīng)的反應(yīng)。 2、程序設(shè)計思路 基本要求（1）屬于全開環(huán)控制，通過粗略控制便可實(shí)現(xiàn)，設(shè)定傾角閾值，從低到高不斷增加X風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，直到傾角超過閾值，記錄此時PWM脈寬級作用時間。 基本要求（2）需要采用閉環(huán)控制算法，計算公式與（1）相同，設(shè)定好范圍后，可

12、與（1）使用相同的方法調(diào)試。基本要求（3）要采用受力分析，使用力的合成?；疽螅?）拉起一定角度后，如果不提供動力，擺桿將逐漸衰減，但是速度緩慢，因此需要提供與運(yùn) 動方向相反的力，阻礙擺桿運(yùn)動。這個過程需要注意，實(shí)時采集擺桿的角度（比例項(xiàng) P），進(jìn)行 微分從而確定角速度（陀螺儀直接測量亦可），為微分項(xiàng) D，采用類似于自平衡的 PD 控制算法 即可發(fā)揮部分(1)可以明確，徑向風(fēng)機(jī)控制采用 PID 控制算法，使擺桿穩(wěn)定在某一設(shè)定角度，切 線方向控制 2、4電機(jī)產(chǎn)生推力，推動擺桿圓周運(yùn)動。那么，很明顯，關(guān)鍵在于如何使擺桿穩(wěn) 定在某一個角度（認(rèn)為設(shè)定），使用 PID 算法即可，原理類似于基本部分（4

13、），只不過基本部分（4）將豎直方向（重力方向）視為設(shè)定值，而發(fā)揮部分中是將設(shè)定的半徑轉(zhuǎn)換成的角度視為設(shè) 定值。發(fā)揮部分（2）這個項(xiàng)目主要是評價發(fā)揮部分（1）控制算法的穩(wěn)定性，無需特別的算法，事實(shí)上只要發(fā)揮部分（1）做得好，這一部分即可實(shí)現(xiàn)。發(fā)揮部分（3)使用了指南針模塊，可以確定方向，無論將系統(tǒng)怎么放置，擺桿可始終指向一個指定的方向。3.2.2程序流程圖 圖11 程序流程圖1、PID算法框圖四、測試方案與測試結(jié)果4.1測試方案（1） 驅(qū)動風(fēng)機(jī)帶動擺桿來回擺動，使激光頭在地面上打出一條大于50cm的直線。記錄由平衡位置到完成劃線要求時所用的時間以及最大偏差距離。重復(fù)6次，記錄在表1中。（2） 人

14、為的設(shè)定激光頭劃線的長度，從30cm開始測量，記錄到達(dá)規(guī)定長度所用時間和最大誤差，測量3次，時間取平均值。然后依次記錄40cm、50cm、60cm的數(shù)據(jù)，記錄在表2中。（3） 人為的設(shè)定激光頭劃線的方向，使激光頭在地面上打出一條大于20cm的直線。從 0°直線開始。記錄達(dá)到規(guī)定長度所用時間和最大誤差，測量3次，時間取平均值。然后依次測量 90°、 180°、270°、360°直線，記錄在表3中。（4） 將擺桿拉倒一定的角度然后放下，驅(qū)動風(fēng)機(jī)，記錄擺桿恢復(fù)到中心位置所用時間，記錄在表4。（5） 以擺桿靜止時的位置為圓心，設(shè)置畫圓半徑，記錄激光頭劃

15、線旋轉(zhuǎn)3周后所用時間，以及偏差的最大距離，重復(fù)3次。然后改變半徑長度，在一次測量，記錄在表5中。（6） 加入外界臺扇干擾后，依次測量記錄恢復(fù)到（5）狀態(tài)所用時間，記錄在表5中。4.2測試條件與儀器秒表、自制角度測量板、量角器、直尺、示波器。4.3測試結(jié)果及分析（1）測試結(jié)果 表 1風(fēng)力擺畫長于 50cm 直線測試第一次測試第二次測試第三次測試第四次測試第五次測試第六次測試時間/S171614131010誤差/cm4.53.82.22.12.32.2表 2風(fēng)力擺畫不同長度直線測試30cm 直線40cm 直線50cm 直線畫60cm 直線平均時間(s)66.5810.5誤差 11.11.22.61

16、.4誤差 20.91.01.12.5誤差 31.31.30.81.6表 3風(fēng)力擺畫不同角度直線測試0°直線90°直線180°直線270°直線360°直線平均時間(s)7.06.57.77.510.0誤差 12.01.81.02.11.8誤差 21.61.51.91.61.6誤差 32.21.11.31.41.2 表 4風(fēng)力擺恢復(fù)靜止測試時間（1）時間（2）時間（3）時間（4）時間（5）拉起 30°2.22.52.13.02.4拉起 35°2.93.73.33.72.9拉起 40°3.33.22.93.13.3拉起

17、45°3.65.13.83.65.5 表 5風(fēng)力擺畫圓測試半徑 15cm半徑 20cm半徑 25cm半徑 30cm半徑 35cm時間（1）2620222420偏差距離（1）1.92.21.31.62.0恢復(fù)時間（1）32233時間（2）2218141925偏差距離（2）1.11.02.23.02.2恢復(fù)時間（2）45354時間（3）1820222326偏差距離（3）1.51.81.91.92.0恢復(fù)時間（3）44343（2）測試分析與結(jié)論根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，該風(fēng)力擺控制系統(tǒng)已能達(dá)到基本部分和發(fā)揮部分的全部要求和性能指標(biāo)，由此可以得出以下結(jié)論：1. 風(fēng)機(jī)的性能是決定系統(tǒng)能否完成題目要求的關(guān)鍵，風(fēng)機(jī)性能由其本身決定，包括重量、產(chǎn)生的最大風(fēng)速、以及所需的電流。任何一個達(dá)不到要求，將會給程序調(diào)控大大增加難度，所以硬件搭建很重要。2. 好的算法，也起到至關(guān)重要的作用，為了能達(dá)到題目要求，四個風(fēng)機(jī)的速度分配比例很重要，這就需要良好的算法加合適的參數(shù)。3. 此控制系統(tǒng)，需要時間上的配合，時間參數(shù)同樣重要，要能保證在規(guī)定時間內(nèi)完成任務(wù)。綜上所述，本設(shè)計達(dá)到設(shè)計要求。五、結(jié)論與心得四天三夜的電賽讓我們收獲很多。在這次比賽中，我們學(xué)會的知識和技能不單單是硬件搭建、電路調(diào)試、軟件測試這么簡單。更重要的是，我們親身體驗(yàn)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作的重要性。開始的時候，選擇材料十分重要，由于我們對