风力摆控制系统设计报告Word文件下载.docx
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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
电路...........................................................................................................................3
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
由于摆杆长度(60cm~70cm)较长,且要求激光头在地面画出15cm~35cm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
电机选择
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
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。
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
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。
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。
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字量,通过DMP处理器读取测量数据然后通过串口输出。
MPU6050可测量出出θ1的角度
由图中可知
所以θ1=θ2;
根据三角函数式(60cm<
L<
70cm)可求出摆杆偏移中心的距d。
风力摆运动状态的分析
基本要求
(1)中属于开环控制系统,激光笔绘制的轨迹超过50cm即可。
我们可以设置摆杆倾角超过一个阈值θ,θ可通过摆动半径R(R>
=25cm)直接计算出。
然后,通过开环调节,从低到高改变风机的风速,直到摆杆的角度超过阈值,记下此时PWM波脉宽级作用时间。
要绘制50cm直线,只需R>
25cm(R为地面运动轨迹的一半)在平面内运动即可
则其中L为摆杆与激光头的长度,a为激光头到地面的距离(a<
=20cm)基本要求
(2)摆动幅度可控,属于闭环控制系统,公式计算与
(1)相同设置直线长度▽θ(30cm<
▽θ<
60cm)MPU6050将倾角,角速度送给单片机,单片机控制风机来产生推力使摆杆摆动。
控制算法的分析
切线方向
系统采用PID算法来控制风机转动的速度,风机开始工作后,MPU6050不断采集当前摆杆摆脚状态,并与之前的状态进行比较,使得摆杆运动状态趋于稳定。
PID算法控制器由4个风机速度分配比例P角度误差积分I角度微分D组成。
其输入e(t)与输出U(t)关系为:
他的传递函数为:
在发挥部分
(1)时,要求做圆周运动。
四个直流风机1、2、3、4,1和3用来使摆杆与重力方向呈现设置的夹角,2和4用来推动摆杆沿切线方向运动,这样通过控制1、3电机的PID参数使摆杆达到设定的角度,通过2和4推动摆杆,摆杆就会沿切线运动,绘制圆形轨迹。
三、电路与程序设计
电路的设计
图10按键模式选择
电路设计
系统整体使用K60控制芯片,使用手机或者电脑通过蓝牙进行演示控制,MPU6050陀螺仪控制方向角度。
电源
系统整体采用电池电源供电,电压是,空心杯电机平均所需电流为,电源可满足需求。
供给4个并联电机驱动(电调)带动风机转动,5V给单片机供电,单片机自带稳压输出给MPU6050供电,电机驱动本身也可稳压输出5V,给激光头(供电。
程序的设计
程序功能描述与设计思路
1、程序功能描述
系统采用蓝牙模块控制,可通过手机或者电脑就行指令输入,令风力摆作出相应的反应。
2、程序设计思路
基本要求
(1)属于全开环控制,通过粗略控制便可实现,设定倾角阈值,从低到高不断增加X风机转速,直到倾角超过阈值,记录此时PWM脉宽级作用时间。
基本要求
(2)需要采用闭环控制算法,计算公式与
(1)相同,设定好范围后,可与
(1)使用相同的方法调试。
基本要求(3)要采用受力分析,使用力的合成。
基本要求(4)拉起一定角度后,如果不提供动力,摆杆将逐渐衰减,但是速度缓慢,因此需要提供与运动方向相反的力,阻碍摆杆运动。
这个过程需要注意,实时采集摆杆的角度(比例项P),进行微分从而确定角速度(陀螺仪直接测量亦可),为微分项D,采用类似于自平衡的PD控制算法即可
发挥部分
(1)可以明确,径向风机控制采用PID控制算法,使摆杆稳定在某一设定角度,切线方向控制2、4电机产生推力,推动摆杆圆周运动。
那么,很明显,关键在于如何使摆杆稳定在某一个角度(认为设定),使用PID算法即可,原理类似于基本部分(4),只不过基本部分(4)将竖直方向(重力方向)视为设定值,而发挥部分中是将设定的半径转换成的角度视为设定值。
发挥部分
(2)这个项目主要是评价发挥部分
(1)控制算法的稳定性,无需特别的算法,事实上只要发挥部分
(1)做得好,这一部分即可实现。
发挥部分(3)使用了指南针模块,可以确定方向,无论将系统怎么放置,摆杆可始终指向一个指定的方向。
程序流程图
图11程序流程图
1、PID算法框图
四、测试方案与测试结果
测试方案
(1)驱动风机带动摆杆来回摆动,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。
(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,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
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/S
17
16
14
13
10
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(s)
6
8
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°
180°
270°
360°
表4风力摆恢复静止测试
时间
(1)
时间
(2)
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