风力摆控制系统设计报告Word文件下载.docx
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利用加速度计模块MPU6050，准确测出摆杆移动的位置与中心点位置之间的关系，采样后反馈给单片机，使风机及时矫正，防止脱离运动轨迹。
使用指南针模块判别方向，控制系统向指定方向偏移。
控制方式采用PID算法，比例环节进行快速响应，积分环节实现无静差，微分环节减小超调，加快动态响应。
从而使该系统具有良好的性能，能很好地实现自由摆运动、快速制动静止、画圆、指定方向偏移，具有很好地稳定性。
关键词：
K60、空心杯电机、MPU6050、PID、无线蓝牙
电路...........................................................................................................................3
风力摆控制系统（B题）
【本科组】
一、系统方案
系统基本方案
控制方案设计
为了实现题目要求我们采用K60单片机做为主控芯片，用加速度计陀螺仪模块MPU6050来计算角度和风机状态，用直流风机带动摆杆运动。
当MPU6050检测到摆杆的角度时，可根据三角函数公式计算出摆杆现在距离中心的具体位置（方向、距离），单片机会控制PWM波的输出大小来控制风机的风速与方向，使摆杆达到在特定位置静止或按照一定的轨迹运动。
当摆杆处于自然下垂状态时，给四个风机同时上电且风向都向外，此时摆杆仍处于受力平衡——静止状态。
此时降低X轴上一个风机的转速，摆杆将会带动激光头在X轴上画一条直线，当达到一定的倾斜角度时，单片机可根据角度计算出此时距离中心的距离是否>
=25cm，若达到要求后，此风机减速，X轴反方向上电机逐渐加速，恢复到初始速度，反方向做相同的运动。
在此过程中，单片机做出A/D采样，Y轴方向方向风机随时做出矫正，防止发生轨迹偏移。
机械结构方案设计
由于摆杆长度（60cm~70cm）较长，且要求激光头在地面画出15cm~35cm的圆，所以要求横杆的距离要足够长。
横杆长度较长加之摆杆重量较大，所以要求底座要有足够的重量来支撑整个系统。
如果结构不稳或者重量不够，摆杆运动过程中将会产生倾倒或者抖动等现象，影响测试结果。
于是，底座采用了“工”型结构，保证了整个系统的稳定性。
摆杆材料方面，我们选用轻便的硬质铁质材料与风机进行刚性连接，既能保证连接处的稳定，又可达到减轻底座负担的目的。
风机选择方面，既要保证风力够大，能够实现题目基本要求中的自由摆运动、快速制动静止。
各部分方案选择与论证
电机选择
方案一：
采用小型轴流风机（大功率），使用双滚珠轴承，采用滚动摩擦的形式，轴承中有数颗微小钢珠围绕轴心，当扇叶转动时，钢珠即跟着转动。
因为都是球体，摩擦力较小，所以转速较高。
能达到8000RMP，同时产生较大的风力。
风机内力矩较大，是因为机内绕了大量的铜线，导致重量较大，当4个风机固定到一起时，重量更大，风机产生的风力带动风机运动困难加大，更难做到题目中按要求运动。
另一方面，此风机功率较大，所需电流较大，驱动与供电方面也有很大问题。
方案二：
采用双环强磁空心杯电机，内部使用强磁，转速较高。
风力也足够大，基本能达到要求。
方案三：
采用无刷电机，风力较大，重量适中，完全能达到题目运动状态要求，速度控制精确，但须配套电机调速器。
综合考虑，我们选择方案二。
电机驱动的选择
由于上述电机选择了空心杯电机，此驱动BTN7971B驱动芯片。
摆杆与横杆的连接选择
摆杆使用粗单股导线直接与横杆连接，连接简单且自由度较好，给风机供电等方面都比较容易，但是导线容易产生自旋，风机固定困难也增大，增加了调试难度。
摆杆使用硬质碳素杆材料，通过万向轴与横杆相连。
用此材料强度能够达到要求，且风机固定容易。
硬件搭建合理，配重平衡的前提下，摆杆来回摆动不易发生偏移，可轻松解决基本要求
（1），减少了编写代码的工作量。
综上考虑，我们选择方案二，节约时间。
摆杆与风机的连接选择
摆杆与风机之间使用一个直流电机或者舵机连接，这样可以随时改变风机的方向，同时可减少风机的数量，控制量减少。
但是此方案连接结构较为复杂，发挥部分圆周运动稳定性不高。
摆杆与风机之间采用刚性连接，连接较为简单，稳定性能较好。
综上考虑，我们选择方案二。
二、系统理论分析与计算
风力摆位置的计算与分析
通过加速度计陀螺仪模块MPU6050检测风力摆摆杆的倾角数据。
MPU6050集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计。
可根据三角函数公式，可计算出此时摆杆距离中心位置的距离（见图3）。
内部有一个数字运动处理器DMP。
测试过程中，MPU6050与单片机之间进行通信，距离较长，走线较多，干扰较大导致读数不准确，所以在SCL与SDA上拉2K电阻，解决采样问题。
内置卡尔曼滤波器，采用最优化自回归数据处理算法精确测量风力摆当前姿态角。
MPU6050对陀螺仪和加速度计分别采用了16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量，通过DMP处理器读取测量数据然后通过串口输出。
MPU6050可测量出出θ1的角度
由图中可知
所以θ1=θ2；
根据三角函数式（60cm<
L<
70cm）可求出摆杆偏移中心的距d。
风力摆运动状态的分析
基本要求
（1）中属于开环控制系统，激光笔绘制的轨迹超过50cm即可。
我们可以设置摆杆倾角超过一个阈值θ，θ可通过摆动半径R（R>
=25cm）直接计算出。
然后，通过开环调节，从低到高改变风机的风速，直到摆杆的角度超过阈值，记下此时PWM波脉宽级作用时间。
要绘制50cm直线，只需R>
25cm（R为地面运动轨迹的一半）在平面内运动即可
则其中L为摆杆与激光头的长度，a为激光头到地面的距离（a<
=20cm）基本要求
（2）摆动幅度可控，属于闭环控制系统，公式计算与
（1）相同设置直线长度▽θ（30cm<
▽θ<
60cm）MPU6050将倾角，角速度送给单片机，单片机控制风机来产生推力使摆杆摆动。
控制算法的分析
切线方向
系统采用PID算法来控制风机转动的速度，风机开始工作后，MPU6050不断采集当前摆杆摆脚状态，并与之前的状态进行比较，使得摆杆运动状态趋于稳定。
PID算法控制器由4个风机速度分配比例P角度误差积分I角度微分D组成。
其输入e（t）与输出U（t）关系为：
他的传递函数为：
在发挥部分
（1）时，要求做圆周运动。
四个直流风机1、2、3、4,1和3用来使摆杆与重力方向呈现设置的夹角，2和4用来推动摆杆沿切线方向运动，这样通过控制1、3电机的PID参数使摆杆达到设定的角度，通过2和4推动摆杆，摆杆就会沿切线运动，绘制圆形轨迹。
三、电路与程序设计
电路的设计
图10按键模式选择
电路设计
系统整体使用K60控制芯片，使用手机或者电脑通过蓝牙进行演示控制，MPU6050陀螺仪控制方向角度。
电源
系统整体采用电池电源供电，电压是，空心杯电机平均所需电流为，电源可满足需求。
供给4个并联电机驱动（电调）带动风机转动，5V给单片机供电，单片机自带稳压输出给MPU6050供电，电机驱动本身也可稳压输出5V，给激光头（供电。
程序的设计
程序功能描述与设计思路
1、程序功能描述
系统采用蓝牙模块控制，可通过手机或者电脑就行指令输入，令风力摆作出相应的反应。
2、程序设计思路
基本要求
（1）属于全开环控制，通过粗略控制便可实现，设定倾角阈值，从低到高不断增加X风机转速，直到倾角超过阈值，记录此时PWM脉宽级作用时间。
基本要求
（2）需要采用闭环控制算法，计算公式与
（1）相同，设定好范围后，可与
（1）使用相同的方法调试。
基本要求（3）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，如果不提供动力，摆杆将逐渐衰减，但是速度缓慢，因此需要提供与运动方向相反的力，阻碍摆杆运动。
这个过程需要注意，实时采集摆杆的角度（比例项P），进行微分从而确定角速度（陀螺仪直接测量亦可），为微分项D，采用类似于自平衡的PD控制算法即可
发挥部分
（1）可以明确，径向风机控制采用PID控制算法，使摆杆稳定在某一设定角度，切线方向控制2、4电机产生推力，推动摆杆圆周运动。
那么，很明显，关键在于如何使摆杆稳定在某一个角度（认为设定），使用PID算法即可，原理类似于基本部分（4），只不过基本部分（4）将竖直方向（重力方向）视为设定值，而发挥部分中是将设定的半径转换成的角度视为设定值。
发挥部分
（2）这个项目主要是评价发挥部分
（1）控制算法的稳定性，无需特别的算法，事实上只要发挥部分
（1）做得好，这一部分即可实现。
发挥部分（3）使用了指南针模块，可以确定方向，无论将系统怎么放置，摆杆可始终指向一个指定的方向。
程序流程图
图11程序流程图
1、PID算法框图
四、测试方案与测试结果
测试方案
（1）驱动风机带动摆杆来回摆动，使激光头在地面上打出一条大于50cm的直线。
记录由平衡位置到完成划线要求时所用的时间以及最大偏差距离。
重复6次，记录在表1中。
（2）人为的设定激光头划线的长度，从30cm开始测量，记录到达规定长度所用时间和最大误差，测量3次，时间取平均值。
然后依次记录40cm、50cm、60cm的数据，记录在表2中。
（3）人为的设定激光头划线的方向，使激光头在地面上打出一条大于20cm的直线。
从0°
直线开始。
记录达到规定长度所用时间和最大误差，测量3次，时间取平均值。
然后依次测量90°
、180°
、270°
、360°
直线，记录在表3中。
（4）将摆杆拉倒一定的角度然后放下，驱动风机，记录摆杆恢复到中心位置所用时间，记录在表4。
（5）以摆杆静止时的位置为圆心，设置画圆半径，记录激光头划线旋转3周后所用时间，以及偏差的最大距离，重复3次。
然后改变半径长度，在一次测量，记录在表5中。
（6）加入外界台扇干扰后，依次测量记录恢复到（5）状态所用时间，记录在表5中。
测试条件与仪器
秒表、自制角度测量板、量角器、直尺、示波器。
测试结果及分析
（1）测试结果
表1风力摆画长于50cm直线测试
第一次测试
第二次测试
第三次测试
第四次测试
第五次测试
第六次测试
时间/S
17
16
14
13
10
误差/cm
表2风力摆画不同长度直线测试
30cm直线
40cm直线
50cm直线
画60cm直线
平均时间（s）
6
8
误差1
误差2
误差3
表3风力摆画不同角度直线测试
0°
直线
90°
180°
270°
360°
表4风力摆恢复静止测试
时间
（1）
时间
（2）
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