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1、风力摆控制系统设计报告文件编码(008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256)大学生电子设计竞赛风力摆控制系统学院:计算机学院项目：风力摆控制系统负责人：王贤朝指导老师：张保定时 间：2017年5月20日摘要本系统采用 K60 开发板作为控制中心，与万向节、摆杆、直流风机 （无刷电机+扇叶）、激光头、反馈装置一起构成摆杆运动状态与风机速 度分配的双闭环调速系统。单片机输出可变的 PWM 波给电机调速器，控 制4 个方向上风机的风速，从而产生大小不同的力。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
2、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、无线蓝牙目录风力摆控制系统（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
3、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
4、杆长度（60cm70cm）较长，且要求激光头在地面画出15cm35cm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
5、 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
6、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方案一：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。方案二：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 方案一：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
7、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。方案二：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。
8、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MPU6050可测量出出9 1的角由图中可知7?冗a+01 二a +0 2 二2 2 2风力摆运动状态的分析所以91=92；根据三角函基本要求（1）中属于开环控制系统，激光笔绘制的轨迹超过0cm即可。 数式 sin0 2 = L我们可以设置摆杆倾角超过一个阈值9,9可通过摆动半径R （R=25cm）直接 （60cmL25cm即可R图4摆杆角度姿态分析Ltan0 =则 0 = arctan （）其中 LL + aL + a（R
9、为地面运动轨迹的一半）在平面内运动 为摆杆与激光头的长度,a为激光头到地面的距离（a Kpf比砂Ki积分）PWM作用-给电桐调速带动摆杆来回摆动，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。图11 PID算法框图（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
10、，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X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/S171614131010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68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直线180直线270直线360直线平均时间（s）误差1误差2误差3表 4 风力摆恢复静
