1、中北大学大学生电子设计竞赛 项目总结技术报告 2017 年 6 月 22 日 2 一、项目参加人员、负责内容以及技术特长： 主要人员 负责内容 技术特长 孔令钊 算法 编写 ， 主体程序构建与操作优化 程序设计 ， 思路活跃，有新想法 廖杰 硬件搭建 与电路设计 动手能力极强，善于用最少的东西达到最好的效果 卢翔宇 模块 程序编 写，设计报告编纂 程序设计 ， 接收能力强，对新器件的编写、熟悉、配置速度快 3 二、 摘要 风力的利用与控制目前是国际上一个正在蓬勃发展的技术，国外在风 力控制上已经出现较为成熟的技术，而国内还处于起步阶段。 风力控制考验的因素较为复杂，能达到比较准确的控制甚至是自
2、动调整式的控制，是一个难点，对于控制的算法要求较高。 2015 年电子设计大赛控制类题目即为风力摆控制系统，需要完成较高精度的控制，这也反映了控制类的大趋势从逻辑逐步转向算法，从简单的一维平面控制，转向复杂的空间中的控制。 基于 2015 年电子设计大赛的题目，我们也尝试了风力摆的控制，并完成本项目。 关键词：风力摆， STM32，六周传感器， PID算法 Summary The use and control of wind power is currently a vigorous development of the international technology, foreign w
3、ind control has been more mature technology, and the domestic is still in its infancy. Wind control test factors are more complex, to achieve more accurate control or even automatic adjustment of the control, is a difficult point for the control of the algorithm requires a higher. 2015 electronic de
4、sign contest control category is the wind swing control system, the need to complete the high precision control, which also reflects the control of the general trend from the logic to the algorithm, from simple one-dimensional plane control, to complex space In the control. Based on the topic of the
5、 2015 Electronic Design Contest, we also tried the wind swing control and completed the project. Keywords: wind swing, STM32, six weeks sensor, PID algorithm 三、 设计报告正文 1、总体方案设计 任务 4 一长约 60cm70cm 的细管上端用万向节固定在支架上，下方悬挂一组（ 24 只）直流风机，构成一风力摆。风力摆上安装一向下的激光笔，静止时，激光笔的下端距地面不超过 20cm设计一测控系统，控制驱动各风机使风力摆按照一定规律运动，激
6、光笔在地面画出要求的轨迹。 1. 基本要求 （ 1） 从静 止开始， 15s 内控制风力摆做类似自由摆运动，使激光笔稳定地 在地面画出一条长度不短于 50cm 的直线段，其线性度偏差不大于 2.5cm，并且具有较好的重复性； （ 2） 从静止开始， 15s 内完成幅度可控的摆动，画出长度在 3060cm 间可设置，长度偏差不大于 2.5cm 的直线段，并且具有较好的重复性； （ 3） 可设定摆动方向，风力摆从静止开始， 15s 内按照设置的方向（角度） 摆动，画出不短于 20cm 的直线段； （ 4） 将风力摆拉起一定角度（ 30 45）放开， 5s 内使风力摆制动达到静止 状态。 2发挥部分
7、 （ 1） 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， 30s 内需重复 3 次；圆半径可在 1535cm 范围内设置，激光笔画出 的轨迹应落在指定半径 2.5cm 的圆环内； （ 2） 在发挥部分（ 1）后继续作圆周运动，在距离风力摆 12m 距离内用一台 5060W 台扇在水平方向吹向风力摆，台扇吹 5s 后停止，风力摆能 够在 5s 内恢复发挥部分（ 1）规定的圆周运动，激光笔画出符合要求的 轨迹 。 5 通过 MPU6050六轴传感器采集角度数据，融合 PID算法 ，动态输出 PWM波控制直流风机的转动，达到较为精确的控制，利用模拟正弦曲线与李萨如图线的合成完成
8、题目要求。 首先搭 建风力摆构架 选择 题目中要求的万向节达到灵活的转动。应用碳素管达到减轻整体装置重量的效果，更加灵活 。 电机选择 在直流无刷电机与空心杯之间进行选择，直流电机推重比较大但质量大，故使用轻便小巧且推重比较大的空心杯电机（直流电机）达到比较好的制动效果。 主控选择 我们采用 stm32f103芯片作为主控芯片，因为其处理速度很快，内存容量大， 有许多高速定时器，适合类似于风 力摆之类的高采样率，计算复杂 ，需要短时间内完成精确控制的项目， 可以很好的完成任务。 传感器选择 使用 MPU6050 模块，自身集成有数据处理模块，大大减轻主控单片机负担，相对于角度传感器，可以反馈的
9、角度值更有利于空间中位置的测定，支持 I2C 高速传输，采集数据更加快，有利于精确控制。 采用 L298N集成模块， 实现对风机转速与翻转的直接控制。 算法选择 PID算法与模糊算法之间选择，模糊算法可以把误差控制在一定范围之内，但会出现抖动，不够稳定，所以使用 PID 算法，可以实现对 期望目6 标值的动态追踪，相对于模糊算法更加精确、稳定、速度更快 。 在受干扰后可以迅速恢复原状态。 通过对采样周期的计算调整，模拟出准确的正弦曲线，产生动态期望值。 物理模型 X=A1sin( 1t+ 1) Y=A2sin( 2t+ 2) 利用相位差一定的两条正弦曲线模拟出李萨如图像，完成任意角度的直线段摆
10、动与任意半径圆曲线的跟踪，相对于其他画圆方法（例如bresenham画法），此方法较为精确、流畅，曲线更加圆润。 TFTLCD液晶显示屏对角度数据，输入参数的显示的实时显示，增强可操作性。 7 2、单元模块设计 MPU6050模块 stm32f103 8 L298驱动 3、系统调试 9 波形图为模式四的摆动曲线 4、系统功能，指标参数 1.在 5s 内，画一条 50 至 60cm的直线，左右偏差不大于 2cm。 2.在 5s 左右，画出一条长度在 30 至 60cm的可改变长度的定长直线且任何方向偏差不大于 2.5cm。 3.在 5s 内，画出任意角度可调的不短于 30cm的直线，直线稳定后摇摆不超过 2.5cm。 4.任意方向拉起摆 45在 6s内可以恢复静止。 5.可以在 5s 内画出直径 30 至 60cm可调的圆，且不超出目标半径圆为中心的 2.5cm的圆环。 6.在画圆模式下，强外力干扰下， 5s 内恢复画圆。 7.在模式一与模式二的画直线模式下，强外力干扰，可在 4s 内恢复直线。 5、设计总结 1.对于更高级 PID算法的使用 。 10 2.画出的圆不绝对圆。 四、附件
