风力摆控制系统设计报告

4） 悬停运动
通过陀螺仪检测最大偏角，使电机输出最优克服风力摆运动的反向力，达到快速平衡的效果。实际过程因共振的原因，要找好电机输出的大小和时间才能有效的抑制摆动。
5）圆周运动
做圆周运动时，要求摆所受到的力大小不变，方向始终指向圆心。假如某一时刻，摆位于圆周上与轴线Φ夹角的位置上（如下图）。控制风机1输出风力为R*sin(Φ),风机2的输出风力为R*cos（Φ），即可使摆停留在原位置。控制风机1输出风力为R*sin(Φ+1),风机2的输出风力为R*cos（Φ+1），保证风力1和2的合力不变，风向改变，即可使摆在圆周上顺时针方向移动。
3、基本要求（3）
测试方案：按照设置的方向摆动，记录其由静止到达到20cm以上的时间，以及直线的最大偏差角度，测试结果如表三所示。
时间m/s
误差1(度数)
误差2（度数）
误差3（度数）
画0°直线
2
+0.5
-0.3
-0.4
画40°直线
3
+1
-0.4
+0.6
画90°直线
2
+0.8
_1.5
+0.5
画130°直线
2）任意长度自由摆
在直线自由摆的前提下，改变摆的初始高度，即改变摆的振幅，从而实现任意长度的自由摆运动。
3）任意方向自由摆
在（1）中，只使用了两只方向相反的风机，所以只能在两只风机的连线方向上运动，要实现任意方向的摆动，需要启动四只风机。两只相邻的风力，控制其风力比值为1:1，则可使摆向45度角方向运动，控制风力配比为tan（Φ），便可使摆向Φ角方向运动。结合（1）中的理论，即可实现任意方向的自由摆。
第三次
半径
20
25
30
最大偏差/cm
1.5
2.0
1.0
时间/s
20
21
23
表五 风力摆画圆测试
结论：圆周运动波动不大，平滑性较好；半径越大，三次画圆所用的时间越长。
6、发挥要求（2）
测试方案：在距离风力摆1~2m距离内用一台50~60W台扇在水平方向上施加干扰，撤去干扰5S内恢复原来的圆周运动，记录其三次画圆所用时间，以及最大偏差距离，测试结果如表六所示
4.5
5.3
5.5
5.6
时间（3）s
5.2
4.9
5.1
5.2
表四 风力摆恢复静止测试
结论：摆角越大，稳定的时间越大，基本满足要求。
5、发挥要求（1）
测试方案：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，记录其三次画圆所用时间，以及最大偏差距离，测试结果如表五所示。
画圆
第一次
第二次
2.风力摆运动控制
1）直线自由摆
理想状态下，自由摆运动不需要外力来维持。但现实中的摆会受到空气的阻力以及来自万向节的摩擦力，摆动幅度会逐渐减小，所以要想我们制作的摆实现自由摆运动，就需要摆上的直流风机提供风力摆平衡空气阻力和万向节的摩擦力。万向节上的摩擦力是固定不变的，空气阻力和速度的平方成正比，其表达式式为f=k*v*v，其中f为空气阻力，k为比例系数，v为摆的速度。 自由摆的周期计算公式为，T=2*Pi*sqrt(l/g)，其中Pi为圆周率，l为摆杆长度，g为地球上的重力加速度。以最高点为计时零点，则摆的速度与时间的关系为v=sin(t),t时刻摆受到的阻力为F=C+k*sin(t)*sin(t),其中C为万向节的摩擦力，k为空气阻力的比例系数。做自由摆运动时，先启动某一个直流风力，使风力摆上升到一定的高度，让后停止该风机，同时启动反方向风机补偿摩擦力，当达到另一个最高点时，启动相反方向的风机。如此反复调节C，k的值，直到摆达到较为完美的摆动。
方案二：采用小型高速电机加螺旋桨自制直流风机，风力大，体积小，质量轻，而且性价比高。
风力摆控制系统风机质量轻，减小惯性，容易起摆；风力大，风速控制范围大，摆动角度大；体积小，减少外部的干扰；鉴于以上几点，本设计采用方案二。
2）风机个数及架构
方案一：两只直流风机构成直线型架构，不能画圆，不满足要求。
方案二：三只直流风机构成三角形架构，能满足划线要求，一旦涉及到角度问题，此结构角度计算就比较麻烦，画圆时三个风机控制量关系难以找出。
时间m/s
误差1/cm
误差2/cm
误差3/cm
画30cm直线
1.1
+0.5
+1.5
-1.1
画40cm直线
2.3
-2.0
-2.0
-1.5
画50cm直线
3.5
+0.1
-0.5
+0.1
画60cm直线
5
-1
+1
+0.8
表二 风力摆画不同长度直线测试
结论：数据稳定时间随直线距离逐渐增加，距离偏差均在-2.5~2.5cm之间，满足基本要求。
6）其他（螺旋线运动）
在圆周运动的基础上，逐渐增大风机合力的大小，即可使摆实现半径逐渐正大的圆周运动，及螺旋线运动。
7）PID控制
本系统采用PID算法来控制风机转动的速度。风机刚开始工作后，姿态采集模块不断采集当前风力摆姿态角状态，并与之前的状态比较，使得风力摆的运动状态趋于平衡。
三．系统设计：
1、电路设计
2015 全国大学生电子设计竞赛
风力摆控制系统（B题）
【本科组】
2015年8月15日
摘要：本设计是基于STM32F103VE单片机为核心的简易风力摆控制系统，该系统由电源供电模块，直流风机及驱动模块、角度检测模块、信息处理模块、继电器及驱动模块、蜂鸣指示模块和液晶显示模块构成。STM32F103VE通过改变PWM占空比来实现对直流风机速度及方向的控制，该风力摆控制系统能够实现题目要求，简单做直线运动、复杂做圆周运动。
1）风机驱动电路
如图所示，单片机通过产生PWM波控制场效应管的通断，来控制风机的风速，BAT54C双二极管反向并联用于保护电路。单片机通过PB6、PB7、PB8、PB9输出PWM信号，四个风机分辨连接P5、P6、P7、P8连接。
图3，风机驱动接口电路
2）姿态传感器电路
该模块为标准的IIC通信，单片机通过SDA、SCL接口获取加速度和角速度的数字信号，再通过运算得到所需的角度。
时间/s
距离1
距离2
距离3
距离4
距离5
第一次
9s
60
63
61
60
62
第二次
8.7
59
56
58
57
56
第三次
9.3
57
59
62
63
62
表一 风力摆画长于50cm的直线
结论：数据稳定时间大概要9s,稳定距离在60cm左右拨动，实测距离大于50cm,满足基本要求。
2、基本要求（2）
测试方案：使激光笔在地面画出一条长度可设定（30~60cm）的直线段，记录其由静止至开始自由摆时间及画不同长度直线时的最大偏差距离。测试结果如表二所示
图4，MPU6050接口电路
3） 蜂鸣器驱动电路
单片机通过IO口控制三极管基极导通，是蜂鸣器发声。
2、软件设计
系统总体工作流程，根据题目要求，主要通过显示和旋转编码器切换任务
图5，主程序流程图
四． 系统测试 ：
1、基本要求（1）
测试方案：使激光笔在地面稳定画出一条长度不短于50cm的直线段。来回五次，记录其由静止至开始自由摆时间及稳定距离。测试结果如表一所示
关键字：风力摆 角度传感器 单片机 自动控制系统
一．方案论证：
1.系统结构
1）机械结构如图1所示。
一长约67cm的吸管上端用万向节固定在支架上，下方悬挂4只直流风机，中间安装陀螺仪，构成一风力摆。风力摆下安装一向下的激光笔，静止时，激光笔下端距离地面18cm。
图1
2）测控电路结构
测控电路结构如图2所示。
图2
2.方案比较与选择
其实整体电路架构上图已经给定，主要是几个关键部分————直流风机选型及架构、直流风机驱动电路、传感器、主控芯片选择，我们分析如下：
1）直流风机的选型
方案一：采样大电流成品直流风机，虽然风力够大，但驱动多个风机所需电流过大，单个电源难以满足要求，而且比较重，多个电机使得惯性过大难以控制。鉴于以上两点，弃用。
4
+2
+1
-0.9
表三 风力摆画不同角度直线测试
结论：直线线性度比较好，数据稳定时间较短。
4、基本要求（4）
测试方案：将风力摆拉起一定角度（30°~ 45°）放开，测试风力摆制动达到静止状态所用时间°
拉起45°
时间（1）s
4
4.3
4.5
4.8
时间（2）s
方案三：四只直流风机构成十字形架构，划线时控制单个风机，切换角度划线，控制相邻风机，画圆时，依次循环给与风机正弦数据，稍加修改数据校正风机差别即可画出。
综上比较，选用方案三。
3）风机驱动电路的选择
方案一：晶体管驱动电路，饱和压降小，但驱动电流较大，功耗相对较大，开关速度相对较慢。
方案二：MOS管驱动电路，驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。
本电路直接由单片机控制，输出恒定电压3.3V，足以使A2SHB MOS管驱动电路导通，这样MOS管驱动电路显然更具优势，本设计选用MOS管驱动电路。
4）主控芯片的选择
方案一：采用80C51单片机。优点：控制简单，最熟悉，资料最多；缺点：片内接口少，速度低，片上资源较少。
方案二：采用STM32F103VE处理器。该款处理器是基于Cortex-M3内核的单片机，其性价比高，低功耗，资源丰富，即可以满足本系统的设计要求，又符合经济性原则。
本设计需要通过调节PWM占空比调节直流风机的风速，需要通过控制相邻风机不同的占空比来控制风力摆的运动方向，同时需要通过I2C协议高速采集角度传感器实时数据，综合以上各方面因素，控制系统选择方案二更好一些。