風(fēng)力擺控制系統(tǒng)-電子設(shè)計競賽項目設(shè)計報告.doc

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中北大學(xué)大學(xué)生電子設(shè)計競賽 項目總結(jié)技術(shù)報告 2017年 6 月 22 日 一、項目參加人員、負(fù)責(zé)內(nèi)容以及技術(shù)特長： 主要人員 負(fù)責(zé)內(nèi)容 技術(shù)特長 孔令釗 算法編寫，主體程序構(gòu)建與操作優(yōu)化 程序設(shè)計，思路活躍，有新想法 廖杰 硬件搭建與電路設(shè)計 動手能力極強，善于用最少的東西達到最好的效果 盧翔宇 模塊程序編寫，設(shè)計報告編纂 程序設(shè)計，接收能力強，對新器件的編寫、熟悉、配置速度快 二、摘要 風(fēng)力的利用與控制目前是國際上一個正在蓬勃發(fā)展的技術(shù)，國外在風(fēng)力控制上已經(jīng)出現(xiàn)較為成熟的技術(shù)，而國內(nèi)還處于起步階段。 風(fēng)力控制考驗的因素較為復(fù)雜，能達到比較準(zhǔn)確的控制甚至是自動調(diào)整式的控制，是一個難點，對于控制的算法要求較高。 2015年電子設(shè)計大賽控制類題目即為風(fēng)力擺控制系統(tǒng)，需要完成較高精度的控制，這也反映了控制類的大趨勢從邏輯逐步轉(zhuǎn)向算法，從簡單的一維平面控制，轉(zhuǎn)向復(fù)雜的空間中的控制。 基于2015 年電子設(shè)計大賽的題目，我們也嘗試了風(fēng)力擺的控制，并完成本項目。 關(guān)鍵詞：風(fēng)力擺，STM32，六周傳感器，PID算法 Summary The use and control of wind power is currently a vigorous development of the international technology, foreign wind control has been more mature technology, and the domestic is still in its infancy. Wind control test factors are more complex, to achieve more accurate control or even automatic adjustment of the control, is a difficult point for the control of the algorithm requires a higher. 2015 electronic design contest control category is the wind swing control system, the need to complete the high precision control, which also reflects the control of the general trend from the logic to the algorithm, from simple one-dimensional plane control, to complex space In the control. Based on the topic of the 2015 Electronic Design Contest, we also tried the wind swing control and completed the project. Keywords: wind swing, STM32, six weeks sensor, PID algorithm 三、設(shè)計報告正文 1、總體方案設(shè)計 任務(wù) 一長約 60cm~70cm 的細管上端用萬向節(jié)固定在支架上，下方懸掛一組（2~4 只）直流風(fēng)機，構(gòu)成一風(fēng)力擺。風(fēng)力擺上安裝一向下的激光筆，靜止時，激光筆的下端距地面不超過 20cm設(shè)計一測控系統(tǒng)，控制驅(qū)動各風(fēng)機使風(fēng)力擺按照一定規(guī)律運動，激光筆在地面畫出要求的軌跡。 1. 基本要求 （1） 從靜止開始，15s 內(nèi)控制風(fēng)力擺做類似自由擺運動，使激光筆穩(wěn)定地 在地面畫出一條長度不短于 50cm 的直線段，其線性度偏差不大于 2.5cm，并且具有較好的重復(fù)性； （2） 從靜止開始，15s 內(nèi)完成幅度可控的擺動，畫出長度在 30~60cm 間可設(shè)置，長度偏差不大于2.5cm 的直線段，并且具有較好的重復(fù)性； （3） 可設(shè)定擺動方向，風(fēng)力擺從靜止開始，15s 內(nèi)按照設(shè)置的方向（角度） 擺動，畫出不短于 20cm 的直線段； （4） 將風(fēng)力擺拉起一定角度（30~45）放開，5s 內(nèi)使風(fēng)力擺制動達到靜止?fàn)顟B(tài)。 2．發(fā)揮部分 （1） 以風(fēng)力擺靜止時激光筆的光點為圓心，驅(qū)動風(fēng)力擺用激光筆在地面畫 圓，30s 內(nèi)需重復(fù) 3 次；圓半徑可在 15~35cm 范圍內(nèi)設(shè)置，激光筆畫出 的軌跡應(yīng)落在指定半徑2.5cm 的圓環(huán)內(nèi)； （2） 在發(fā)揮部分（1）后繼續(xù)作圓周運動，在距離風(fēng)力擺 1~2m 距離內(nèi)用一臺 50~60W 臺扇在水平方向吹向風(fēng)力擺，臺扇吹 5s 后停止，風(fēng)力擺能 夠在 5s 內(nèi)恢復(fù)發(fā)揮部分（1）規(guī)定的圓周運動，激光筆畫出符合要求的 軌跡。 通過MPU6050六軸傳感器采集角度數(shù)據(jù)，融合PID算法，動態(tài)輸出PWM波控制直流風(fēng)機的轉(zhuǎn)動，達到較為精確的控制，利用模擬正弦曲線與李薩如圖線的合成完成題目要求。 ①首先搭建風(fēng)力擺構(gòu)架選擇題目中要求的萬向節(jié)達到靈活的轉(zhuǎn)動。應(yīng)用碳素管達到減輕整體裝置重量的效果，更加靈活。 ②電機選擇 在直流無刷電機與空心杯之間進行選擇，直流電機推重比較大但質(zhì)量大，故使用輕便小巧且推重比較大的空心杯電機（直流電機）達到比較好的制動效果。 ③主控選擇 我們采用stm32f103芯片作為主控芯片，因為其處理速度很快，內(nèi)存容量大，有許多高速定時器，適合類似于風(fēng)力擺之類的高采樣率，計算復(fù)雜，需要短時間內(nèi)完成精確控制的項目，可以很好的完成任務(wù)。 ④傳感器選擇 使用MPU6050模塊，自身集成有數(shù)據(jù)處理模塊，大大減輕主控單片機負(fù)擔(dān)，相對于角度傳感器，可以反饋的角度值更有利于空間中位置的測定，支持I2C高速傳輸，采集數(shù)據(jù)更加快，有利于精確控制。 ⑤采用L298N集成模塊，實現(xiàn)對風(fēng)機轉(zhuǎn)速與翻轉(zhuǎn)的直接控制。 ⑥算法選擇 PID算法與模糊算法之間選擇，模糊算法可以把誤差控制在一定范圍之內(nèi)，但會出現(xiàn)抖動，不夠穩(wěn)定，所以使用PID算法，可以實現(xiàn)對期望目標(biāo)值的動態(tài)追蹤，相對于模糊算法更加精確、穩(wěn)定、速度更快 。 在受干擾后可以迅速恢復(fù)原狀態(tài)。 ⑦通過對采樣周期的計算調(diào)整，模擬出準(zhǔn)確的正弦曲線，產(chǎn)生動態(tài)期望值。 ⑧物理模型 X=A1sin(ω1t+ψ1) Y=A2sin(ω2t+ψ2) 利用相位差一定的兩條正弦曲線模擬出李薩如圖像，完成任意角度的直線段擺動與任意半徑圓曲線的跟蹤，相對于其他畫圓方法（例如bresenham畫法），此方法較為精確、流暢，曲線更加圓潤。 ⑧TFTLCD液晶顯示屏對角度數(shù)據(jù)，輸入?yún)?shù)的顯示的實時顯示，增強可操作性。 2、單元模塊設(shè)計 ①MPU6050模塊 ②stm32f103 ③L298驅(qū)動 3、系統(tǒng)調(diào)試 波形圖為模式四的擺動曲線 4、系統(tǒng)功能，指標(biāo)參數(shù) 1.在5s內(nèi)，畫一條50至60cm的直線，左右偏差不大于2cm。 2.在5s左右，畫出一條長度在30至60cm的可改變長度的定長直線且任何方向偏差不大于2.5cm。 3.在5s內(nèi)，畫出任意角度可調(diào)的不短于30cm的直線，直線穩(wěn)定后搖擺不超過2.5cm。 4.任意方向拉起擺≥45在6s內(nèi)可以恢復(fù)靜止。 5.可以在5s內(nèi)畫出直徑30至60cm可調(diào)的圓，且不超出目標(biāo)半徑圓為中心的2.5cm的圓環(huán)。 6.在畫圓模式下，強外力干擾下，5s內(nèi)恢復(fù)畫圓。 7.在模式一與模式二的畫直線模式下，強外力干擾，可在4s內(nèi)恢復(fù)直線。 5、設(shè)計總結(jié) 1.對于更高級PID算法的使用。 2.畫出的圓不絕對圓。 四、附件