基于stm32的風(fēng)力擺(編輯修改稿)
2025-07-15 17:06 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 機(jī)固定到一起時(shí)，重量更大，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)困難加大，更難做到題目中按要求運(yùn)動(dòng)。另一方面，此風(fēng)機(jī)功率較大，所需電流較大，驅(qū)動(dòng)與供電方面也有很大問題。方案二：采用雙環(huán)強(qiáng)磁空心杯電機(jī)，內(nèi)部使用強(qiáng)磁，轉(zhuǎn)速較高。風(fēng)力也足夠大，基本能達(dá)到要求。但是到題目發(fā)揮部分（2）時(shí)，面對外界風(fēng)力干擾時(shí)，由于本身重量較輕，極易受到外界干擾，而不容易保持原來狀態(tài)。另外，供電電壓較低，單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，空心杯的電壓線性度較小，而不易被精準(zhǔn)控制。方案三： 采用空心杯電機(jī)，風(fēng)力較大，重量適中，完全能達(dá)到題目運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要求，速度控制精確。綜合考慮，我們選擇方案三。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的選擇由于上述電機(jī)選擇了空心杯電機(jī)，所以我們選擇的驅(qū)動(dòng)是ULN2003A。 擺桿與橫桿的連接選擇方案一：擺桿使用粗單股導(dǎo)線直接與橫桿連接，連接簡單且自由度較好，給風(fēng)機(jī)供電等方面都比較容易，但是導(dǎo)線容易產(chǎn)生自旋，風(fēng)機(jī)固定困難也增大，增加了調(diào)試難度。方案二：擺桿使用碳纖維材料，通過萬向節(jié)與橫桿相連。用此材料強(qiáng)度能夠達(dá)到要求，且風(fēng)機(jī)固定容易。硬件搭建合理，配重平衡的前提下，擺桿來回?cái)[動(dòng)不易發(fā)生偏移，可輕松解決基本要求（1），減少了編寫代碼的工作量。綜上考慮，我們選擇方案二，節(jié)約時(shí)間。 擺桿與風(fēng)機(jī)的連接選擇方案一：擺桿與風(fēng)機(jī)之間使用一個(gè)直流電機(jī)或者舵機(jī)連接，這樣可以隨時(shí)改變風(fēng)機(jī)的方向，同時(shí)可減少風(fēng)機(jī)的數(shù)量，控制量減少。但是此方案連接結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，發(fā)揮部分圓周運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性不高。方案二：擺桿與風(fēng)機(jī)之間采用剛性連接，連接較為簡單，穩(wěn)定性能較好。綜上考慮，我們選擇方案二。 卡爾曼濾波卡爾曼濾波一種利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過系統(tǒng)輸入輸出觀測數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)的算法。由于觀測數(shù)據(jù)中包括系統(tǒng)中的噪聲和干擾的影響，所以最優(yōu)估計(jì)也可看作是濾波過程。數(shù)據(jù)濾波是去除噪聲還原真實(shí)數(shù)據(jù)的一種數(shù)據(jù)技術(shù), 濾波在測量方差已知的情況下能夠從一系列存在測量噪聲的數(shù)據(jù)中，估計(jì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)。在本系統(tǒng)中以風(fēng)力擺所有過去的擺角輸入和擾動(dòng)作用最小參數(shù)的集合為基礎(chǔ)對未來擺角數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，從輸出和輸入觀測數(shù)據(jù)求出的系統(tǒng)狀態(tài)最優(yōu)估計(jì)，能夠與未來的輸入與系統(tǒng)的擾動(dòng)一起確定風(fēng)力擺擺角的整個(gè)變化。非線性數(shù)據(jù)經(jīng)過卡爾曼濾波作用后可以大幅度提高控制精度，減少系統(tǒng)誤差，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性?；疽螅?）中屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，激光筆繪制的軌跡超過50cm即可。我們可以設(shè)置擺桿傾角超過一個(gè)閾值θ，θ可通過擺動(dòng)半徑R（R=25cm）直接計(jì)算出。然后，通過開環(huán)調(diào)節(jié)，從低到高改變風(fēng)機(jī)的風(fēng)速，直到擺桿的角度超過閾值，記下此時(shí)PWM波脈寬級(jí)作用時(shí)間。圖23 擺桿角度姿態(tài)分析圖要繪制50cm直線，只需R25cm（R為地面運(yùn)動(dòng)軌跡的一半）在平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)即可則其中L為擺桿與激光頭的長度，a為激光頭到地面的距離（a=20cm）基本要求（2）擺動(dòng)幅度可控，屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，公式計(jì)算與（1）相同設(shè)置直線長度▽θ（30cm▽θ60cm）MPU6050將傾角，角速度送給單片機(jī)，單片機(jī)控制風(fēng)機(jī)來產(chǎn)生推力使擺桿擺動(dòng)。PID調(diào)節(jié)是一種線性調(diào)節(jié)，它將給定值與實(shí)際輸出的偏差的比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進(jìn)行控制。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學(xué)模型，控制理論和其他技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID技術(shù)最為方便，即使當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對象，或是不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，也適合采用PID控制技術(shù)。在本系統(tǒng)中被控對象為風(fēng)力擺，其數(shù)學(xué)模型以及理論計(jì)算并不容易，故我們采用位PID控制算法對經(jīng)卡爾曼濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。其中P為比例系數(shù)；I為角度誤差
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