風力擺控制系統(tǒng)論文

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，