2015全国大学生电子设计竞赛设计风力摆控制系统B题.doc

风力摆控制系统（风力摆控制系统（B 题）题）【本科组本科组】基本信息基本信息学校名称南京信息工程大学滨江学院参赛学生 1汤杰Emailangie1011foxmail.com参赛学生 2祖旭明Email2516985331qq.com参赛学生 3沈慧想Emailshhuixiqq.com指导教师 1刘恒Email指导教师 2Email获奖等级全国二等奖指导教师简介（500 字内）1.1.技术方案分析比较技术方案分析比较本系统主要由风机模块、电机驱动模块、姿态采集模块、单片机控制模块、人机交互系统和风力摆机械结构组成。风力摆系统由万向节连接碳管再连接风机平台组成，姿态采集模块置于风机平台中间不断采集平台姿态信息并返回给单片机，由单片机处理后通过输出一定占空比的 PWM 波驱动 L298N 控制风机转速实现对风力摆的控制。系统结构框图如图 1，下面分别论证这几个模块的选择。i单片机主控输入模块显示模块风机驱动模块风机平台姿态采集模块图 1 系统结构框图1.11.1 风力摆运动控制方案的选择与论证风力摆运动控制方案的选择与论证方案一：方案一：采用 2 只直流风机作为动力系统。采用 2 只风机并排同向而立分别位于摆杆两侧，通过控制风机转速控制风力摆使激光笔画线画圆。此方案风力摆负载轻，但风力摆摆动过程中状态微调和快速静止不易实现。 方案二：方案二：采用 3 只直流风机作为动力系统。三只风机为等边三角形三边相背而立，互成 120°夹角。此方案相对于方案二在控制风力摆转动过程中状态微 调方面有提升，但自成三角形，相邻两风机夹角过大，依旧不利于精确控制风力摆状态。 方案三：方案三：采用 4 只直流风机作为动力系统。四只风机取一边靠于摆杆，朝向 成顺时针排列，通过控制四只风机转速控制风力摆当前状态。此方案风力摆负载最重，但对于控制风力摆状态最为精确，且动力最足。综合上述比较，考虑系统的快速工作以及精确控制，本系统采用方案三。1.21.2 风机模块的论证与选择风机模块的论证与选择方案一：方案一：采用额定功率为 10W 普通电脑机箱上散热器上的轴流风机。经过测试发现这种功率风机风力较小，在启动风机到推动硬质杆到类似自由摆状态的过程中需要时间过长，且由于风力较小不容易改变硬质杆的运动状态。方案二：方案二：采用有刷 370 马达驱动的大功率轴流风机。此种风机质量较小，风力较大，产生的动力强劲，容易改变硬质杆和风机的运动状态。综合以上两种方案，选择方案二。ii1.31.3 角度传感器模块的论证与选择角度传感器模块的论证与选择方案一：方案一：采用两个 LCA316-10224 单轴倾角传感器垂直摆放。此传感器能实时输出当前的姿态倾角，体积小、抗外界电磁干扰能力强。但是摆放时候存在误差，增加了系统的不稳定性。方案二：方案二：采用 MPU6050 模块。MPU6050 模块集成了 3 轴 MEMS 陀螺仪，三轴 MEMS 加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器 DMP。采用 I2C 接口输出数据流，并且可以通过内置 DPM 直接运算得出模块的四元数与欧拉角。综合以上两种方案，选择方案二。1.41.4 控制算法的选择控制算法的选择方案一：方案一：采用模糊控制算法, 模糊控制有许多良好的特性,它不需要事先知 道对象的数学模型,具有系统响应快、超调小、过渡过程时间短等优点，但编程 复杂，数据处理量大。 方案二：方案二：采用 PID 算法，按比例、积分、微分的函数关系,进行运算,将其运 算结果用以输出控制。优点是控制精度高,且算法简单明了。对于本系统的控制 已足够精确，节约了单片机的资源和运算时间。2.2.核心部件电路设计核心部件电路设计2.12.1 摆杆物理模型的模型分析摆杆物理模型的模型分析在控制激光画直线的过程中，在忽略了空气阻力和各种摩擦力之后，把摆杆近似抽象为无质量的硬质杆连接质点作单摆运动。在控制激光画圆的过程中，把摆杆与风机近似抽象为质点的圆锥摆运动。aHS激光点LhFGG1G2Tb图 2 单摆的物理模型由于风力摆受外部因素扰动过多难以建模，因此我们把它理想化建立其物理模型，如iii图 2。把风机平台看作质点，则此质点只受三个力重力 G、硬质杆的拉力 T、风机提供大小不变方向改变的力 F，当 F 做工等于所需要到大高度时重力所做的负功时，撤去 F。设质点初动能末动能，重力做功，风机提供的力做功。做功由动能定理可知，k0Ek1Egwfw（1）10kfgkEWWE又因为当质点运动到最高点的时候（2）010kkEE所以（3）gfWW既风机提供的力 F 所做的的功和重力所做负功相等。重力所做的功（4）)cos1 (famgLmghW由于 F 的方向不断改变我们对 F 所做的力进行积分分处理则在撤去 F 前 F 做的功为（5）bFLFdLFdxWLbs2 00f公式（5）中 s 为撤去 F 时质点走过的弧长，x 为在角度很小时质点走的距离，b 为撤去 F时硬质杆与铅垂线的夹角。由公式（4）和公式（5）可求得撤去 F 时夹角 b 值（6）LFamgb)cos1 ( 此模型需要较大的力 F。当 F 较小的时候，采用对动能积分的形式进行 PID 调节闭环控制。2.22.2 风力摆姿态信息测量风力摆姿态信息测量MPU6050 集成了 3 轴 MEMS 陀螺仪，3 轴 MEMS 加速度计，以及一个可扩展 的数字运动处理器 DMP。MPU6050 和所有设备寄存器之间的通信采用 400kHz 的 I2C 接口，实现高速通信。且内置的可编程卡尔曼滤波器，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 别用了三个 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 I2C 接口输出。iv3.3.电路电路设计设计3.13.1 电路电路总体框图总体框图系统总体框图如图 3 所示，本系统采用 stm32 单片机作为主控芯片，使用 MPU6050 用做角度传感器模块，人机交互功能的采用 TFT 触摸屏实现，由于本系统使用的直流风机所需电流较大所以采用 4 个单独的 L298N 驱动模块进行控制。STM32最小系统TFT触摸屏MPU6050倾角传感器L298N驱动 模块轴流风机风机平台图 3 系统总体框图3.23.2 L298NL298N 电路原理图电路原理图通过 L298N 芯片手册可知，L298N 同时最多能够控制四个直流电机，但是 L298N 最大只能够输出 2A 的电流，因此本系统采用四个 L298N 模块，每个模块分别控制一个电机以保证系统能够给风机提供足够的功率，L298N 驱动模块原理图如图 4 所示。v图 4 L298N 驱动原理图3.33.3 电源电路电源电路电源电路采用两组独立开关电源，为整个系统提供 5V 和 12 电压确保电路稳定工作，由于系统对电源的要求不高，所以这部分直接使用购买的开关电源。4.4. 程序程序及数字控制部分设计及数字控制部分设计4.14.1 程序设计思路程序设计思路本系统采用触摸屏和三个独立按键输入各参数和测试模式，系统开机启动后进入初始化界面，通过指定的按键选择系统的工作模式，通过触摸屏上的虚拟按键进行参数输入和调试。系统有六个模式分别对应题目的六个要求。通过按键可以先择相应的模式，此时如果系统没有检测到模式选择按键的输入，系统将维持在目前选择的模式下。vi4.24.2 程序流程图程序流程图开始系统界面模式选择模 式 一模 式 二模 式 三模 式 四模 式 五模 式 六图 5 程序主流程图5.5.竞赛工作环境条件竞赛工作环境条件5.15.1 测试方案测试方案（1）量角器（2）秒表（3）自制方向角度图纸6.6.作品成效总结分析作品成效总结分析6.16.1 基础部分基础部分（1）基本要求一驱动风力摆工作，使激光稳定在地面上画出一条长度不短于 50 厘米的直线段，来回4 次记录其由静止至自由摆时间。vii表表 1 1 风力摆长度大于风力摆长度大于 50cm50cm 测试测试时间误差一误差二误差三误差四第一次5.12.8cm2.5cm2.4cm2.4cm第二次4.92.7cm2.1cm2.3cm2.0cm第三次5.32.3cm2.4cm2.3cm2.0cm（2）基本要求二设置风力摆画线长度，驱动风力摆工作，记录其由静止至开始自由摆 时间及在画不同长度直线时的最大偏差距离。测试结果如表 2 所示。表表 2 2 风力摆画不同长度直线风力摆画不同长度直线时间（s）误差一误差二误差三误差四误差五30cm4.61cm1.5cm0.8cm1cm1.5cm40cm8.62.6cm2.2cm1.8cm1.7cm1.4cm50cm11.22.4cm1.6cm1.3cm1cm0.5cm60cm12.82.8cm2.4cm1.8cm1.8cm1.9cm（3）基本要求三设置风力摆自由摆时角度，驱动风力摆工作，记录其由静止至开始自 由摆时间及在画不同角度直线时的最大偏差角度。测试结果如表 3 所示。表表 3 3 控制风力摆自由角度画直线控制风力摆自由角度画直线时间（s）误差一误差二误差三误差四误差五0°2.56°9°4°5°8°90°2.75°6°4°6°6°180°2.35°4°6°5°6°270°2.57°5°6°7°6°（4）基本要求四将风力摆拉起一定角度放开，驱动风力摆工作，测试风力摆制动达到 静止状态所用时间。测试结果如表 4 所示。表表 4 4 风力摆恢复静止测试风力摆恢复静止测试viii拉起角度时间（1）时间（2）时间（3）时间（4）时间（5）30°4.24.85.14.94.235°4.65.96.24.74.940°5.35.95.76.75.145°6.86.45.85.26.26.26.2 发挥部分发挥部分（1）发挥一测试风力摆从静止到设定的半径测试，每次设定半径时，让风力摆从静止开始摆达到设定半径时测量误差。表表 5 5 风力摆半径测试风力摆半径测试设定半径半径 15cm20cm25cm30cm35cm测试一2.0cm1.0cm1.7cm2.6cm2.3cm测试二1.8cm1.5cm1.8cm2.4cm2.0cm测试三1.9cm1.3cm1.5cm2.0cm1.8cm（2）发挥二测试在发挥部分（1）后继续作圆周运动，在距离风力摆 12 米用一台 5060W 台扇在水平方向吹风力摆，台扇吹 5s 后停止，测量风力摆恢复到稳定状态时间。表六表六 风力摆抗干扰测试风力摆抗干扰测试半径15cm20cm25cm30cm35cm恢复时间 10.9s1.2s1.2s0.8s1.0s恢复时间 11.1s1.1s0.9s0.9s0.8s恢复时间 10.9s1.0s1.2s0.9s0.8s6.36.3 总结总结根据上述测试数据分析本系统能够达到题目所有要求：（1）本系统调节时间较快，控制稳定性较好，能够在题目要求精度内完成测试。ix（2）本系统结构简单采用模块化设计，电机选型合理，控制电路和机械结构容易拆卸组合，组装测试方便。（3）具有良好的人机交互功能方便输入参数进行调试。7.7.参考资料参考资料1 谭浩强.C 语言程序设计M.北京:清华大学出版社,20122 李尹 硕士 PID 控制算法及其在在风速控制中的应用 华中科技大学 2007 武汉市3 魏惠军、朱烔明大角度单摆的周期 J上海师范大学学报2004 年第 33 卷（103105）4 全国大学生电子设计竞赛组委会.第十一届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2013 本科组）M.北京：北京理工大学出版社，2015