风力摆控制系统（B题）
摘要
本系统为由 STM32单片机控制模块、姿态采集模块、风力摆模块、液晶显 示模块、人机交互系统以及风力摆机械结构组成的闭环控制系统。MPU6050采 集风力摆姿态角，单片机处理姿态角数据后通过 PID精确算法调节直流风机以 控制风力摆。本系统实现了风力摆在仅受直流风机为动力控制下快速起摆、画线、 恢复静止的功能，并能准确画圆，且受风力影响后能够快速恢复画圆状态，具有 很好的鲁棒性。另外，本系统具有良好的人机交互界面，各参数及测试模式可由 按键输入并通过液晶显示，智能性好，反应速度快。 关键词：PID算法 MPU6050 STM32单片机人机交互
1、系统方案
本风力摆控制系统主要包括单片机控制模块、电源模块、姿态采集模块、风 力摆模块、液晶显示模块、人机交互系统以及风力摆机械结构组成。风力摆由万 向节连接碳杆再连接风机组成。位于碳杆最下方的姿态采集模块不断采集风力摆 当前姿态角，并返回单片机。单片机控制液晶显示姿态角数据并处理数据后通过 控制PWM波占空比控制风机转速，实现对风力摆的控制。本系统结构框图如图1 所示。 姿态采集模块
风力摆模块
单片机系统
人机交互系统 液晶显示模块
1.1风力摆运动控制方案的选择与论证
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：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：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。
1.2电源方案的论证与选择
方案一：使用单电源接自制线性直流稳压源模块。单电源同时给控制系统和 风机供电，方案简单易操作。但风机转动过程中不仅会给电源带来纹波，而且产 生反电压容易使单片机被烧毁。且单电源工作负载大，耗电快。
方案二：采用双电源供电。风机驱动电源和控制电源分开，控制电机部分通 过光耦隔离。电机使用 12V锂电池供电，单片机控制系统用另一块电池接线性
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直流稳压源模块供电。此方案可确保系统的稳定性，且满足了系统对供电需求。
综合上述比较，考虑系统的安全性、稳定性以，本系统采用方案二。
1.3角度测量方案的选择与论证
方案一：只测量风力摆关于静止状态时的偏转角。采用二维平面内角位移传 感器测量风力摆转动时关于静止状态时的偏转角，通过控制该偏转角实现对流风 机的控制。该方案软件处理繁琐，且二维平面内的角位移传感器不利于测量风力 摆的空间位置，不利于实现对风力摆的精确控制。
方案二：选用双轴倾角传感器模块LE-60-OEMLE-60-OEM，测量重力加速度 变化，转为倾角变化，可测量双向。具有稳定性高、低功耗、结构简单等优点。 响应速度为5Hz。它可以测量平衡板与水平方向的夹角，x,y方向可以测，但z 轴不可测。且操作复杂，软件处理难度大。
方案三：采用三维角度传感器。用三维角度传感器时刻测量风力摆当前姿态， 通过处理采集的姿态角数据控制风机带动风力摆运动。此方案可精确测量风力摆 当前姿态，实现对风力摆的精确控制。
综合比较以上两个方案，本系统选择方案三。
1.4控制算法的选择
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：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。
综合比较以上两个方案，本系统选择方案二。
2.系统理论分析与计算 2.1风力摆状态的测量与计算
采用高精度的陀螺加速度计 MPU6050不断采集风力摆姿态角数据。 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串口输出。
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