风力摆控制系统设计报告.docx

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大学生电子设计竞赛
风力摆控制系统
学 院：计算机学院
项 目风力摆控制系统
负责状态要求，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。

由于上述电机选择了空心杯电机，此驱动 BTN7971駆动芯片。

方案一：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
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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 方案二：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。

方案一：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咼。
方案二：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

通过加速度计陀螺仪模块 MPU605检测风力摆摆杆的倾角数据。MPU605集成了 3 轴MEM陀螺仪，3轴MEM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）。部有一个数字运动处理器 DMP测试过程中，MPU605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。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寸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。
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1
MPU605（可测量出出 0 1的角度
由图中可知
所以91=92;根据三角函数式
(60cm<L<70cm)可
求出摆杆偏移中心的距d

基本要求（1）中属于开环控制系统，激光笔绘制的轨迹超过 50c m即可。我们可以
设置摆杆倾角超过一个阈值 9,9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 PW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）在平面运动即可
1则
1
1 K
1
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<=20cn）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▽&（ 30cm<V9 <60cm） MPU605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。

系统采用PID算法来控制风机转动的速度，风机开始工作后，MPU605吓断采集当 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
切线方向
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:
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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


MPU6050
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, 陀螺仪控制方向角度。

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 ，电机驱动本身也可稳压输出 5V,给激光头（） 供电。


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。