風(fēng)力擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告

1、風(fēng)力擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告文件編碼(008TTIGUTITDGKBTTPUUTI-WYTUI8256)風(fēng)力擺控制系統(tǒng)學(xué)院：計(jì)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(shí) 間：2017年5月20日摘 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(dòng)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(gè)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(jì)模塊 MPu6050,準(zhǔn)確測(cè)出擺桿移動(dòng)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(shí)矯正，防止脫離運(yùn)動(dòng)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?？刂品绞结娪肞lD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(dòng)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(dòng)、快速制 動(dòng)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)牙風(fēng)力擺控制系統(tǒng)（B題）【本科組】、系統(tǒng)方案系統(tǒng)基本方案控制方案設(shè)計(jì)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(jì)陀螺儀 模塊MPU6050來計(jì)算角度和風(fēng)機(jī)狀態(tài)，用直流風(fēng)機(jī)帶動(dòng)擺桿運(yùn)動(dòng)。當(dāng)MPU6050 檢測(cè)到擺桿的角度時(shí)，可根據(jù)三角函數(shù)公式計(jì)算出擺桿現(xiàn)在距離中心的具體位 置（方向、

3、距離），單片機(jī)會(huì)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(dòng)。當(dāng)擺桿處于自然下垂 狀態(tài)時(shí)，給四個(gè)風(fēng)機(jī)同時(shí)上電且風(fēng)向都向外，此時(shí)擺桿仍處于受力平衡一一靜 止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)降低X軸上一個(gè)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，擺桿將會(huì)帶動(dòng)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(shí)，單片機(jī)可根據(jù)角度計(jì)算出此時(shí)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(dòng)。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(shí)做出矯正，防止發(fā)生軌跡偏移。機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)由于擺桿長度（60cm'70CnI）較長，

4、且要求激光頭在地面畫出15Cnl35cm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(gè)系統(tǒng)。如果結(jié)構(gòu)不穩(wěn)或者重量不夠，擺桿運(yùn) 動(dòng)過程中將會(huì)產(chǎn)生傾倒或者抖動(dòng)等現(xiàn)象，影響測(cè)試結(jié)果。于是，底座采用了 “工”型結(jié)構(gòu)，保證了整個(gè)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，乂可達(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 白由擺運(yùn)動(dòng)、快速制動(dòng)靜止。各部分方案選擇與論證方案一：釆用小型軸流風(fēng)機(jī)（大功率），使用雙滾珠軸承，釆用滾動(dòng)摩擦的形 式，軸承中有數(shù)顆微小鋼

5、珠圍繞軸心，當(dāng)扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鋼珠即跟著轉(zhuǎn)動(dòng)。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(shí)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(gè)風(fēng)機(jī)固定到一起時(shí)，重量更大，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng) 困難加大，更難做到題目中按要求運(yùn)動(dòng)。另一方面，此風(fēng)機(jī)功率較大，所 需電流較大，驅(qū)動(dòng)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：釆用無刷電機(jī)，風(fēng)力較大，重量適中，完全能達(dá)到題目運(yùn)動(dòng)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。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇由于上述電機(jī)選擇了

6、空心杯電機(jī)，此驅(qū)動(dòng)BTN7971B驅(qū)動(dòng)芯片。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?cái)[動(dòng)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(shí)間。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(gè)直流電機(jī)或者舵機(jī)連接，這樣可以隨時(shí)改變 風(fēng)機(jī)的方向，同時(shí)可減少風(fēng)機(jī)的數(shù)量，控制量減少。

7、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(dòng)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。二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算風(fēng)力擺位置的計(jì)算與分析通過加速度計(jì)陀螺儀模塊 6050檢測(cè)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(jì)?？筛鶕?jù)三角函數(shù)公式，可計(jì)算出此 時(shí)擺桿距離中心位置的葩離（見圖3） o內(nèi)部有一個(gè)數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP。測(cè)試 過程中，6050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 ±拉2K電阻，解決釆樣問題。內(nèi)置卡爾曼濾波 器，采用最優(yōu)化自

8、回歸數(shù)據(jù)處理算法精確測(cè)量風(fēng)力擺當(dāng)前姿態(tài)角。MPU6050對(duì)陀 螺儀和加速度計(jì)分別采用了 16位的ADC,將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù) 字過串口輸出。MPU6050可測(cè)量出出 1的角由圖中可知a + = - a + 02 = -9風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的分析2 2所以O(shè)l二0 2；根據(jù)三角函基本要求(1)中屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，激光筆繪制的軌跡超過Q,cmP可。 數(shù)式 sn02 = -我們可以設(shè)置擺桿傾角超過一個(gè)閾值 , 可通過擺動(dòng)半徑R (R>=25cm)直接(60cm<L<70cm)可求出擺計(jì)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)速，直到擺桿的角度超過閾值，記下此時(shí)PWM波

9、脈寬級(jí)作用時(shí)間。要繪制50Cm直線，只需R>25cm (即可I® A刪燈偌F俗太從冊(cè)tan =則 = arc tan ()其中 L ；L+aL+a面的葩離(a二20Cnl)基本要求(2)擺動(dòng)幅度可控，屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，公式 計(jì)算與(1)相同設(shè)置直線長度(30cm<V <60Cin) 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(dòng)?？刂扑惴ǖ姆治鱿到y(tǒng)采用PID算法來控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)狀態(tài)趨于穩(wěn) 切線方向定。PlD算法控制器由4個(gè)風(fēng)機(jī)速度分配比例P

10、角度誤差積分I角度微分D組 成。其輸入e （t）與輸出U （t）關(guān)系為:=P *e(f) + *p()d(f) + D 他的傳遞函數(shù)為: 在發(fā)揮部分（1）時(shí)，要求做圓周運(yùn)動(dòng)。四個(gè)直流風(fēng)機(jī)1、K,1W 使擺桿與重力方向呈現(xiàn)設(shè)置的夾角，2和4用來推動(dòng)擺桿沿切線方向運(yùn)動(dòng)，這樣通過控制1、3電機(jī)的PlD參數(shù)使擺桿達(dá)到設(shè)定的角度，通過2和4推動(dòng)擺桿，擺桿就會(huì)沿切線運(yùn)動(dòng)，繪制圓形軌跡。三、電路與程序設(shè)計(jì)電路的設(shè)計(jì)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。電源系統(tǒng)整體釆用電池電源供電，電壓是，空心杯電機(jī)平均所需電流為，電源可滿足需求。供給4個(gè)并聯(lián)電機(jī)

11、驅(qū)動(dòng)（電調(diào)）帶動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，5V給單片機(jī)供 電，單片機(jī)自帶穩(wěn)壓輸出給MPU6050供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)本身也可穩(wěn)壓輸出5V,給 激光頭（供電。程序的設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)PwM脈寬級(jí)作用 時(shí)間?；疽螅?）需要采用閉環(huán)控制算法，計(jì)算公式與（1）相同，設(shè)定好范 圍后，可與（1）使用相同的方法調(diào)試?；疽螅?）要采用受力分析，使用力的合成。基本要求（4）拉起一定角度后，如果不提供動(dòng)力，擺桿將

12、逐漸衰減，但是 速度緩慢，因此需要提供與運(yùn)動(dòng)方向相反的力，阻礙擺桿運(yùn)動(dòng)。這個(gè)過程需要 注意，實(shí)時(shí)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(cè)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(dòng)擺桿圓周運(yùn)動(dòng)。那 么，很明顯，關(guān)鍵在于如何使擺桿穩(wěn) 定在某一個(gè)角度（認(rèn)為設(shè)定），使用 PlD算法即可，原理類似于基本部分（4）,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(gè)項(xiàng)目主要

13、是評(píng)價(jià)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(gè)指定的方向。1、PlD算法框圖四測(cè)：直;KP（比例I勺6次，記錄在表1中。CFI 1、 n 4r二 + lfr 1（2）人為的設(shè)定激光頭劃線的長度，從30Cmff始測(cè)量，記錄到達(dá)規(guī)定長度 所用時(shí)間和最大誤差，測(cè)量3次，時(shí)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20CiIl的直線。從0°直線開始。記錄

14、達(dá)到規(guī)定長度所用時(shí)間和最大誤差，測(cè)量3次， 時(shí)間取平均值。然后依次測(cè)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(dòng)風(fēng)機(jī)，記錄擺桿恢復(fù)到中心位 置所用時(shí)間，記錄在表4。（5）以擺桿靜止時(shí)的位置為圓心，設(shè)置畫圓半徑，記錄激光頭劃線旋轉(zhuǎn)3 周后所用時(shí)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(cè)量，記錄在表5中。（6）加入外界臺(tái)扇干擾后，依次測(cè)量記錄恢復(fù)到（5）狀態(tài)所用時(shí)間，記錄 在表5中。測(cè)試條件與儀器秒表、自制角度測(cè)量板、量角器、直尺、示波器。測(cè)試結(jié)果及分析(1)測(cè)試結(jié)果表1 風(fēng)力擺

15、畫長于cm直線測(cè)試X第一次 測(cè)試第二次 測(cè)試第三次 測(cè)試第四次 測(cè)試第五次 測(cè)試第六次測(cè) 試時(shí)間/S171614131010誤差 / CnI表2風(fēng)力擺畫不同長度直線測(cè)試30Cln直線40Cm直線50Cnl直線畫60Cm直線平均時(shí)間68誤差1誤差2誤弄3表3鳳力擺畫不同角度直線測(cè)試0°直線90°直線180°直線270°直線360°直線平均時(shí)問(S)誤并1誤并2謀芳3表4 風(fēng)力擺恢復(fù)靜止測(cè)試時(shí)間(1)時(shí)間(2)時(shí)間(3)時(shí)間(4)時(shí)間(5)持扭30°拉起35°+ife 40°対捉4°表5 風(fēng)力擺畫圓測(cè)試半徑1

16、5Cin半徑20CnI半徑25Cm半徑30Cm半徑35Cm時(shí)問(1)2620222420偏并跖離恢篡時(shí)間32233時(shí)間(2)2218141925偏井跖離恢毎時(shí)間45354時(shí)問(3)1820222326偏并距離恢毎時(shí)間44343(2)測(cè)試分析與結(jié)論根據(jù)上述測(cè)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(gè)達(dá)不到要求，將 會(huì)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(gè)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(shí)間上的配合，時(shí)間參數(shù)同樣重要，要能保證在規(guī)定 時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)。綜上所述，本設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)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(huì)的知識(shí)和技能 不單單是硬件搭建、電路調(diào)試、軟件測(cè)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(shí)候，選擇材料十分重要，由于我們對(duì)軸流風(fēng) 機(jī)認(rèn)識(shí)不夠徹底、不夠深入。導(dǎo)致我們使用的風(fēng)機(jī)，達(dá)不