电赛论文-风力摆控制系统.doc

2015年全国大学生电子设计竞赛风力摆控制系统（B题）2015年8月15日II摘 要 该设计采用STM32F103VCT6芯片为风力摆控制核心，实行模块化设计，由控制系统模块、电机驱动模块、角度传感器模块、电源模块等模块组成。通过四元数法对MPU6050回传数据进行处理，并通过闭环PID算法控制轴流风机转动以控制风力摆运动。实现了风力摆15s内做可控幅度及方向的摆动并用激光笔在地上画出稳定直线，风力摆在一定角度放开后快速静止，风力摆可做可控半径的圆周运动，并在受外力干扰后快速恢复运动。经测试，该设计系统性能良好，所有基本要求都已达到，部分指标或超出题目发挥部分要求。关键词： 风力摆； 模块化； MPU6050； PID算法目 录一、系统方案11、电机驱动的论证与选择12、角度传感器的论证与选择13、控制系统的论证与选择1二、系统理论分析与计算21、风力摆状态的分析22、四元数与姿态的计算2（1）四元数2（2）四元数与旋转23、PID的计算4三、电路与程序设计41、电路的设计4（1）系统总体框图4（2）电机驱动模块框图与电路原理图4（3）角度传感器模块框图与电路原理图52、程序的设计6（1）程序功能描述与设计思路6（2）程序流程图6四、测试方案与测试结果61、测试仪器62、功能测试6（1）测试过程6（2）测试结果（数据）73、测试结论与分析7五、结论与心得7六、参考文献7附录1：原理图8附录2：测试数据9风力摆控制系统（B题）【本科组】一、系统方案本系统主要由控制系统模块、电机驱动模块、角度传感器模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1、电机驱动的论证与选择方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对轴流风机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案二：以N沟道增强型场效应管为核心，基于H桥PWM控制的驱动控制电路，对直流电机的正反转控制及速度的调节具有良好的工作性能。并且直流电机控制电路的运行稳定可靠，电机调节响应速度快，满足大功率直流电机的驱动控制，结构简单、驱动力强、功耗低。综合以上二种方案，选择方案二。2、角度传感器的论证与选择方案一：采用WDD35D5角度传感器。其原理相当于可调电位器，根据风力摆倾斜角度产生相应的阻值，通过AD转换处理后从而算出相应的角度，但是该方案需要AD转换、不易放置、仅能直接得到角度等问题。方案二：采用MPU-6050加速度陀螺仪。该模块整合了3轴陀螺仪和3轴加速度器，输出六轴旋转矩阵、四元数、Euler角的融合演算数据，通过处理后可检测到风力摆倾斜角度及其加速度，以便于对摆杆的控制。综合以上二种方案，选择方案二。3、控制系统的论证与选择方案一：采用STC89C52单片机作为主控芯片，STC89C52单片机是STC89C51单片机的增强板，是STC公司生产的一种低功耗、高性能8位微控制器，具有8k可编程Flash存储器，总共有32位I/O口线，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，全双工串行口等资源。虽然最小系统简单，编程较易，但是工作频率过低无法满足该设计的高速运算要求。方案二：采用STM32F103VCT6作为主控芯片，STM32系列单片机是基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。它具有512K片内FLASH,64K片内RAM,片内FLASH支持在线编程(IAP)，多达80个IO(大部分兼容5V逻辑),4个通用定时器,2个高级定时器,2个基本定时器,3路SPI接口,2路I2S接口,2路I2C接口,5路USART等丰富的资源，较高的工作频率可满足该设计所需的高速运算及数据处理。综合以上二种方案，选择方案二。二、系统理论分析与计算1、风力摆状态的分析 从陀螺仪DMP直接读出四元数，然后计算出欧拉角，最后通过欧拉角确定陀螺仪的姿态。通过风摆姿态变化可以分析出风摆实时的位置还有速度信息，再由主控系统通过PID算法分析后控制轴流风机转动控制风力摆运动。2、四元数与姿态的计算 （1）四元数四元数是简单的超复数。复数是由实数加上虚数单位 i 组成，其中i2 = -1。 相似地，四元数都是由实数加上三个虚数单位 i、j、k 组成，而且它们有如下的关系： i2 = j2 = k2 = -1， i0 = j0 = k0 = 1 , 每个四元数都是 1、i、j 和 k 的线性组合，即是四元数一般可表示为a + bk+ cj + di，其中a、b、c 、d是实数。对于i、j、k本身的几何意义可以理解为一种旋转，其中i旋转代表X轴与Y轴相交平面中X轴正向向Y轴正向的旋转，j旋转代表Z轴与X轴相交平面中Z轴正向向X轴正向的旋转，k旋转代表Y轴与Z轴相交平面中Y轴正向向Z轴正向的旋转，-i、-j、-k分别代表i、j、k旋转的反向旋转。（如图2-1）图2-1（2）四元数与旋转姿态解算的核心在于旋转，一般旋转有4种表示方式：矩阵表示、欧拉角表示、轴角表示和四元数表示。矩阵表示适合变换向量，欧拉角最直观，轴角表示则适合几何推导，而在组合旋转方面，四元数表示最佳。因为姿态解算需要频繁组合旋转和用旋转变换向量，所以采用四元数保存组合姿态、辅以矩阵来变换向量的方案。下面介绍一下四元数，然后给出几种旋转表示的转换。四元数可以理解为一个实数和一个向量的组合，也可以理解为四维的向量。这里用一个圈表示q是一个四元数（很可能不是规范的表示方式）。四元数的长度（模）与普通向量相似。下面是对四元数的单位化，单位化的四元数可以表示一个旋转。四元数相乘，旋转的组合就靠它了。旋转的“轴角表示”转“四元数表示”。这里创造一个运算q(w,)，用于把绕单位向量w转角的旋转表示为四元数。通过q(w,)，引伸出一个更方便的运算q(f,t)。有时需要把向量f的方向转到向量t的方向，这个运算就是生成表示对应旋转的四元数的（后面会用到）。然后是“四元数表示”转“矩阵表示”。再次创造运算，用R(q)表示四元数q对应的矩阵（后面用到）。多个旋转的组合可以用四元数的乘法来实现。“四元数表示”转“欧拉角表示”。3、PID的计算 PID计算方式如图2-1所示 图2-1 PID计算方式PID计算公式：该风力摆上，经调试PID参数设置为：K=1,P=1600,I=2,D=165。三、电路与程序设计1、电路的设计（1）系统总体框图该风力摆控制系统由stm32最小系统、mpu6050传感模块、电机驱动模块、电源模块组成，由stm32用PID算法处理传感器回传的数据，用处理后的数据来控制轴流风机的转动进而控制风力摆运动。系统总体框图如图3-1所示激光笔轴流风机电机驱动STM32MPU6050电 源图3-1 系统总体框图（2）电机驱动模块框图与电路原理图1、电机驱动框图直流电机驱动电路由电机驱动逻辑电路、光电隔离电路、驱动信号放大电路、H 桥功率驱动电路等4 部分组成，如图3-2 所示。电机驱动电路的主要控制信号有电机转向控制信号 Dir、电机转速控制信号PWM。Uc1为驱动逻辑电路电源，Uc2为电机驱动电源。设计的电路中，逻辑电路与驱动放大电路进行电气隔离，消除了驱动电路对前级电路的干扰，逻辑运算后的控制信号通过光电隔离和放大后，驱动H 桥上下桥臂，实现对电机的控制。图3-2 电机驱动框图2、电机驱动电路图3-3 电机驱动电路（3）角度传感器模块框图与电路原理图MPU6050 整合了三轴陀螺仪、三轴加速度计，并含I2C端口连接其他厂家的加速器、磁力传感器或其他传感器的数位运动处理（DMP）硬件加速引擎等，由主I2C端口以单一数据流的形式，向应用端输出完整的9轴融合演算技术InvenSense的运动处理资料库。MPU60X0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。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为250、500、1000与2000/sec(dps)，加速度计可测范围为2g、4g8g与16g。电路图如图3-4所示：图3-4 MPU6050电路图2、程序的设计（1）程序功能描述与设计思路该程序首先初始化，根据风力摆运动要求开启轴流风机，控制系统读取陀螺仪回传数据，进行PID处理后调节PWM出给电机驱动模块，修正轴流风机转动，实现风力摆按要求运动。（2）程序流程图1、主程序流程图见附录1四、测试方案与测试结果1、测试仪器仪器型号用途数量示波器TEKTRONIX DOP2024显示电路波形1卷尺WEY-100测量画线长度1量角器无测量画线角度1电风扇格力吹风影响风力摆12、功能测试（1）测试过程测试基本要求部分时，初始化系统，将风力摆从静止开始做可控制幅度及方向的摆动，使激光笔在地面稳定地画出直线。测试发挥部分，初始化程序，风力摆将按照要求，做可控半径的圆周运动，并且在受外力影响时，快速回复圆周运动。（2）测试结果（数据）见附录23、测试结论与分析根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：1、风力摆可在规定时间内做可控幅度及方向的直线运动。2、风力摆再拉起一定角度放开时，可快速恢复静止状态。3、风力摆可在规定时间内做可设半径的圆周运动，并在受外力作用下快速恢复圆周运动。综上所述，本设计达到设计要求。五、结论与心得该系统采用STM32F103VCT6单片机控制，采用模块化设计，多模块协调工作。经过四天三夜的不懈努力，完成了题目基本要求和发挥部分。在此系统设计制作中多次陷入困境，尤其是四元数与姿态计算时的理论分析的确不是我们的强项，但是大家靠现查资料、恶补物理和高数方面的不足，最后得以把误差控制在可接受的范围内，比较圆满完成风力摆可控运动。在最后的多模块联合调试过程中，由于大家分工不同，代码组合起来的难度超出我们的意料。最终我们三人通过一个通宵的奋斗还是圆满地完成了任务。此次比赛，我们深刻体会到队员之间交流的重要性，自己的任务完成得再好，代码联合不起来也是无用功。六、参考文献【1】谭浩强.C语言程序设计M.北京:清华大学出版社,2012【2】童诗白、华成英. 模拟电子技术基础（第四版）M. 北京:高等教育出版社, 1980.【3】黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计M.北京：北京航空航天大学出版社，20069附录1：原理图1、主程序流程图附录2：测试