风力摆控制系统-电子设计竞赛项目设计报告.doc

中北大学大学生电子设计竞赛项目总结技术报告 2017年 6 月 22 日一、项目参加人员、负责内容以及技术特长：主要人员负责内容技术特长孔令钊算法编写，主体程序构建与操作优化程序设计，思路活跃，有新想法廖杰硬件搭建与电路设计动手能力极强，善于用最少的东西达到最好的效果卢翔宇模块程序编写，设计报告编纂程序设计，接收能力强，对新器件的编写、熟悉、配置速度快二、摘要风力的利用与控制目前是国际上一个正在蓬勃发展的技术，国外在风力控制上已经出现较为成熟的技术，而国内还处于起步阶段。风力控制考验的因素较为复杂，能达到比较准确的控制甚至是自动调整式的控制，是一个难点，对于控制的算法要求较高。2015年电子设计大赛控制类题目即为风力摆控制系统，需要完成较高精度的控制，这也反映了控制类的大趋势从逻辑逐步转向算法，从简单的一维平面控制，转向复杂的空间中的控制。基于2015 年电子设计大赛的题目，我们也尝试了风力摆的控制，并完成本项目。关键词：风力摆，STM32，六周传感器，PID算法SummaryThe 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、设计报告正文1、总体方案设计任务一长约 60cm70cm 的细管上端用万向节固定在支架上，下方悬挂一组（24 只）直流风机，构成一风力摆。风力摆上安装一向下的激光笔，静止时，激光笔的下端距地面不超过 20cm设计一测控系统，控制驱动各风机使风力摆按照一定规律运动，激光笔在地面画出要求的轨迹。1. 基本要求（1） 从静止开始，15s 内控制风力摆做类似自由摆运动，使激光笔稳定地在地面画出一条长度不短于 50cm 的直线段，其线性度偏差不大于2.5cm，并且具有较好的重复性；（2） 从静止开始，15s 内完成幅度可控的摆动，画出长度在 3060cm 间可设置，长度偏差不大于2.5cm 的直线段，并且具有较好的重复性；（3） 可设定摆动方向，风力摆从静止开始，15s 内按照设置的方向（角度）摆动，画出不短于 20cm 的直线段；（4） 将风力摆拉起一定角度（3045）放开，5s 内使风力摆制动达到静止状态。2发挥部分（1） 以风力摆静止时激光笔的光点为圆心，驱动风力摆用激光笔在地面画圆，30s 内需重复 3 次；圆半径可在 1535cm 范围内设置，激光笔画出的轨迹应落在指定半径2.5cm 的圆环内；（2） 在发挥部分（1）后继续作圆周运动，在距离风力摆 12m 距离内用一台 5060W 台扇在水平方向吹向风力摆，台扇吹 5s 后停止，风力摆能够在 5s 内恢复发挥部分（1）规定的圆周运动，激光笔画出符合要求的轨迹。 通过MPU6050六轴传感器采集角度数据，融合PID算法，动态输出PWM波控制直流风机的转动，达到较为精确的控制，利用模拟正弦曲线与李萨如图线的合成完成题目要求。 首先搭建风力摆构架选择题目中要求的万向节达到灵活的转动。应用碳素管达到减轻整体装置重量的效果，更加灵活。 电机选择 在直流无刷电机与空心杯之间进行选择，直流电机推重比较大但质量大，故使用轻便小巧且推重比较大的空心杯电机（直流电机）达到比较好的制动效果。 主控选择 我们采用stm32f103芯片作为主控芯片，因为其处理速度很快，内存容量大，有许多高速定时器，适合类似于风力摆之类的高采样率，计算复杂，需要短时间内完成精确控制的项目，可以很好的完成任务。 传感器选择 使用MPU6050模块，自身集成有数据处理模块，大大减轻主控单片机负担，相对于角度传感器，可以反馈的角度值更有利于空间中位置的测定，支持I2C高速传输，采集数据更加快，有利于精确控制。 采用L298N集成模块，实现对风机转速与翻转的直接控制。 算法选择 PID算法与模糊算法之间选择，模糊算法可以把误差控制在一定范围之内，但会出现抖动，不够稳定，所以使用PID算法，可以实现对期望目标值的动态追踪，相对于模糊算法更加精确、稳定、速度更快 。 在受干扰后可以迅速恢复原状态。 通过对采样周期的计算调整，模拟出准确的正弦曲线，产生动态期望值。 物理模型X=A1sin(1t+1) Y=A2sin(2t+2) 利用相位差一定的两条正弦曲线模拟出李萨如图像，完成任意角度的直线段摆动与任意半径圆曲线的跟踪，相对于其他画圆方法（例如bresenham画法），此方法较为精确、流畅，曲线更加圆润。 TFTLCD液晶显示屏对角度数据，输入参数的显示的实时显示，增强可操作性。2、单元模块设计MPU6050模块stm32f103L298驱动 3、系统调试波形图为模式四的摆动曲线4、系统功能，指标参数1.在5s内，画一条50至60cm的直线，左右偏差不大于2cm。2.在5s左右，画出一条长度在30至60cm的可改变长度的定长直线且任何方向偏差不大于2.5cm。3.在5s内，画出任意角度可调的不短于30cm的直线，直线稳定后摇摆不超过2.5cm。4.任意方向拉起摆45在6