




版權說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權,請進行舉報或認領
文檔簡介
1、風力擺控制系統(tǒng)摘 要:本系統(tǒng)采用STM32F103ZET6單片機作為控制核心,通過對置于風力擺上的MPU9150陀螺儀采集的角度進行處理得到角度與風力擺位置的關系,再通過驅(qū)動輸出PWM波控制軸流風機,使風力擺到達指定的位置,做規(guī)定的圓周運動。本系統(tǒng)通過PID調(diào)試,測試表明,各項功能已達到或超過本題目要求。關鍵詞:MPU9150;PID;軸流風機1. 系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由主控制器,陀螺儀,電機驅(qū)動模塊,軸流風機,激光筆組成,下面分別對這幾個模塊進行選擇與論證。1.1陀螺儀的選擇方案一:MPU6050。 9軸運動處理傳感器,它集成了3軸MEMS陀螺儀,3軸MEMS加速度計,以及一個可擴展的數(shù)字數(shù)字
2、運動處理器DMP,可用I2C接口連接一個第三方的數(shù)字傳感器,比如磁力計。MPU-6050對陀螺儀和加速度計分別用了三個16位的ADC,將其測量的模擬量轉化為可輸出的數(shù)字量。一個片上1024字節(jié)的FIFO,有助于降低系統(tǒng)功耗。但零飄較嚴重。方案二:角度傳感器。當連結到RCX上時,軸每轉過1/16圈,角度傳感器就會計數(shù)一次。往一個方向轉動時,計數(shù)增加,轉動方向改變時,計數(shù)減少。計數(shù)與角度傳感器的初始位置有關。當初始化角度傳感器時,它的計數(shù)值被設置為0。角度傳感器一般測靜態(tài)的角度,傾角用加速度計。明顯在本系統(tǒng)中角度傳感器不如陀螺儀方便使用。方案三:MPU9150。MPU-9150 是采用系統(tǒng)級封裝
3、(SiP),集合了兩個芯片:MPU-6050 和 3 軸數(shù)字羅盤 AK8975,其中 MPU-6050 包含 3 軸陀螺儀、3 軸加速計以及能夠處理復雜 9 軸 MotionFusion 算法的板載 Digital Motion Processor (DMP) 。 這款元件集成 9 軸 MotionFusion 算法,能夠訪問所有內(nèi)部傳感器,以收集全套傳感器數(shù)據(jù)。MPU9150測轉角的速度的,可以積分得到轉的角度,動態(tài)性能好,靜態(tài)差,零飄基本無,很適合本系統(tǒng)。綜合考慮后決定采用方案三。1.2軸流風機的選擇方案一:四線可測速、包含溫控PWM調(diào)速軸流風機。此種軸流風機一般重量較大,啟動時間長,雖然
4、風量大但明顯不適合本系統(tǒng)的實時檢測調(diào)整的思路。方案二:三線可測速軸流風機。此種軸流風機重量較輕,啟動時間短,直接接驅(qū)動即可對其進行控速,風量也很大,比較符合題目各項要求的時間限制。綜合考慮后決定采用方案二。1.3軸流風機個數(shù)與方位選擇方案一:兩個軸流風機。兩個軸流風機的擺放有兩種方式,背對擺放和呈直角擺放。第一種方式只有兩個方向的擺角,而垂直擺放則只有180°的擺角。方案二:三個軸流風機。三個軸流風機呈等邊三角形擺放,雖360°都可以達到,但是每兩個軸流風機的夾角是鈍角,合成后的力大大減小。方案三:四個軸流風機。四個軸流風機兩兩垂直擺放,合力方向遍布360°,且合
5、力的方向方便計算,合力的大小方便控制。綜合考慮后選擇方案三。1.4電機驅(qū)動的選擇方案一:ULN2003電機驅(qū)動模塊。高耐壓、大電流復合晶體管ICULN2003,ULN2003 是高耐壓、大電流復合晶體管陣列,由七個硅NPN 復合晶體管組成。ULN2003 工作電壓高,工作電流大,灌電流可達500mA,并且能夠在關態(tài)時承受50V 的電壓,輸出還可以在高負載電流并行運行。ULN2003電機驅(qū)動模塊電路簡單,既可控制直流電機又可控制步進電機。由于電流的限制,只能驅(qū)動小型電機。方案二:可實現(xiàn)電機正反轉及調(diào)速,啟動性能好,啟動轉矩大,工作電壓可達到36V,可持續(xù)工作電流2A,此題中可同時驅(qū)動兩臺直流電機
6、。TLP521-4光隔,L298N有過電流保護功能,當出現(xiàn)電機卡死時,可以保護電路和電機等。內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器,板載5V線性電源輸出,紋波小,對單片機毫無干擾。綜合考慮軸流風機的工作電流,決定采用方案二。2. 系統(tǒng)理論分析與計算2.1PID的原理與運用PID即比例、積分和微分,比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成。其輸入e (t)與輸出u (t)的關系為:u(t)=kpe(t)+1/TIe(t)dt+TD*de(t)/dt 積分的上下限分別是0和t因此它的傳遞函數(shù)為:G(s)=U(s)/E(s)=kp1+1/(TI*s)+TD*s 其中kp為比例系數(shù); TI為
7、積分時間常數(shù); TD為微分時間常數(shù)。本系統(tǒng)中只用到了P和D,即比例和微分。陀螺儀的讀出的角度傳遞給PID公式,PID公式計算后算出PWM值對電機進行調(diào)節(jié)。Pitch的返回值對3、4號電機進行調(diào)節(jié),roll的返回值對1、2號電機進行調(diào)節(jié),這樣就可以實現(xiàn)風力擺的360°的擺動。2.2風力擺系統(tǒng)與其空間模型風力擺的實際模型如圖一所示,其建立的空間模型豎直截面如圖二所示,橫向截面如圖三所示,風力擺空間模型如圖四所示。 圖一 圖二 如圖二所示,根據(jù)直角公式可以得出h、與r之間的關系:,又結構一定時,已知h的值,由角度傳感器可以得出的值,所以r的值即可求出。如圖一與圖三所示,本系統(tǒng)在擺桿的下方放
8、置一十字形的木板平臺,在其四個相互垂直的方向放置四個相同型號的軸流風機,四個軸流風機面向外放置,當其一的軸流風機轉動時,擺桿則向其相反的方向擺。例如,僅僅軸流風機1轉動時,擺桿則向180°的方向擺動。又相鄰兩個軸流風機可以通過控制其PWM而得到不 圖三 同合力F,所以360°的方向都可以得到,在此理論基礎上,風力擺在橫截面上可以做圓周運動。理論計算:設軸流風機的風力分別為F1、F2、F3和F4,對V1和V3的合力F進行分析,F(xiàn)的大?。篎的方向: 空間方程建立: 圖中是陀螺儀與擺桿(z軸)的夾角,陀螺儀測出的Roll與Pitch分別是陀螺儀在xoz平面的投影,以及陀螺儀在yo
9、z平面上的夾角;根據(jù)幾何推導,我們可以列出方程: 確定的值,將陀螺儀測出的Roll和Pitch分別代入PID公式,整定參數(shù),測得電機需要的PWM,即可做圓周運動;是電機(或陀螺儀)與Y軸(0度測試線)的夾角,根據(jù)幾何推導,我們 圖四 可以列出以下方程確定以上的,可以得出Roll和Pitch的關系,代入PID公式,整定參數(shù),測得電機需要的PWM值,即可按不同角度畫直線。2.3陀螺儀的原理 在3D圖形學中,最常用的旋轉表示方法便是四元數(shù)和歐拉角,比起矩陣來具有節(jié)省存儲空間和方便插值的優(yōu)點,計算公式采用3D笛卡爾坐標系,定義繞Z軸、Y軸、X軸的旋轉角度分別為Yaw、Pitch、Roll,如圖五所示,
10、 通過旋轉軸和繞該軸旋轉的角度可以構造一個四元數(shù):;。其中是繞旋轉軸旋轉的角度,為旋轉軸在x,y,z方向的分量(由此確定了旋轉軸)。 本系統(tǒng)中根據(jù)陀螺儀得到的Pitch、Roll來的到風力擺的角度,返回給PID。3. 總體設計3.1系統(tǒng)構架與功能本系統(tǒng)主要由激光筆,軸流風機,L298N電機驅(qū)動,矩陣鍵盤等組成。STM32F103ZET6接收到陀螺儀收到的歐拉角,再進行PID調(diào)節(jié)得到PWM,將PWM返回到軸流風機,軸流風機控制轉速使風力擺達到不同的角度,陀螺儀實時檢測。如圖六所示。 圖六3.2硬件電路圖圖七為驅(qū)動L298N的電路圖,圖八為MPU9150的電路圖。 圖五 圖六3.3程序流程圖 圖七
11、4. 系統(tǒng)測試與總結測試儀器:YB1731A2A直流穩(wěn)壓電源,秒表,直尺。1. 基礎部分一表格,測試十次均達到所要求,其距離與時間列表如下:距離53cm54cm52cm53cm52cm54cm55cm52cm56cm56cm時間12.5s13.7s12.1s12.4s12.2s13.6s13.7s12.2s13.8s13.9s2. 基礎部分二表格,表中時間數(shù)據(jù)為十次測試的平均值,其距離如下圖所示:距離30cm35cm40cm45cm50cm55cm60cm時間5.3s6.2s6.7s8.5s10.1s11.2s12s3. 基礎部分三表格,表中數(shù)據(jù)均在畫出不短于20cm的直線段的條件小測出,每個
12、角度的時間為5次試驗數(shù)據(jù)的平均值,其設置的角度與到達穩(wěn)定的時間如下圖所示:角度30°45°50°70°100°120°160°180°時間10s12.2s15s16s16.2s16.5s16.4s16.7s4. 基礎部分四表格,將風力擺拉起一定的角度(30°45°)放開,制動達到靜止的時間如下圖所示:時間4.5s5.1s4.3s4.6s4.6s4.7s5.2s4.4s4.5s4.6s5. 發(fā)揮部分一表格,所畫圓的半徑在15cm35cm內(nèi)可設置,表中的重復次數(shù)均為10次試驗數(shù)據(jù)的平均值,結果如下圖所示:半徑15cm20cm23cm28cm31cm33cm35cm重復次數(shù)4556546實驗證明本系統(tǒng)能成功達到題目的要求,且結構穩(wěn)定完全適應做風力擺,從結構到算法隊員都親力親為,討論結構,分析方案,分析算法。此系統(tǒng)中軸流風機是一個關鍵,之前軸流風機的選擇不正確,怎樣系統(tǒng)都擺不起來,后來換了適宜的之后,程序算法就比較順利了。算法也是此題的難點,算法基本確定使用PID之后就開始調(diào)試,
溫馨提示
- 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
- 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權益歸上傳用戶所有。
- 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預覽,若沒有圖紙預覽就沒有圖紙。
- 4. 未經(jīng)權益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
- 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負責。
- 6. 下載文件中如有侵權或不適當內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
- 7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- 學生自我管理能力對學習動機的影響
- 醫(yī)療培訓中激發(fā)學習動力的方法論
- 創(chuàng)新教育模式以教育心理學為基礎的課程設計
- 創(chuàng)新教育政策塑造未來人才的關鍵
- 從神經(jīng)科學的角度探討提升學生參與度的方法
- 潛能激發(fā)教育心理學的實踐路徑
- 抖音商戶直播前預熱活動規(guī)劃制度
- 22-富深木工膠!一文帶你看懂手工貼木皮開裂原因及解決辦法
- 公交優(yōu)先政策與城市交通擁堵治理:2025年交通擁堵治理技術裝備發(fā)展報告
- 江西中醫(yī)藥大學《細胞生物學與醫(yī)學遺傳學》2023-2024學年第一學期期末試卷
- 廣東省廣州市2024年中考道德與法治試卷(含答案)
- 2025年中國陪診服務行業(yè)現(xiàn)狀、發(fā)展環(huán)境及投資前景分析報告
- 新疆2024年小升初語文模擬考試試卷(含答案)
- 項目經(jīng)理入職培訓
- 汽車駕駛員(技師)考試題及答案
- 南昌市產(chǎn)業(yè)投資集團有限公司招聘筆試題庫2024
- 三化一穩(wěn)定嚴進嚴出專案報告
- TYNZYC 0095-2022 綠色藥材 金果欖(青牛膽)栽培技術規(guī)程
- 診斷學考試重點筆記
- 2024高考數(shù)學專項復習:均值不等式及不等式綜合(含答案)
- 高二下學期7月期末教學質(zhì)量檢測語文試題(含答案)
評論
0/150
提交評論