基于stm32的風(fēng)力擺-在線瀏覽
2025-08-05 17:06本頁(yè)面
【正文】 制算法對(duì)風(fēng)力擺的控制策略。當(dāng)MPU6050檢測(cè)到擺桿的角度時(shí)，可根據(jù)三角函數(shù)公式計(jì)算出擺桿現(xiàn)在距離中心的具體位置（方向、距離），單片機(jī)會(huì)控制PWM波的輸出大小來(lái)控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)速與方向，使擺桿達(dá)到在特定位置靜止或按照一定的軌跡運(yùn)動(dòng)。此時(shí)降低X軸上一個(gè)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，擺桿將會(huì)帶動(dòng)激光頭在X軸上畫(huà)一條直線，當(dāng)達(dá)到一定的傾斜角度時(shí)，單片機(jī)可根據(jù)角度計(jì)算出此時(shí)距離中心的距離是否=25cm，若達(dá)到要求后，此風(fēng)機(jī)減速，X軸反方向上電機(jī)逐漸加速，恢復(fù)到初始速度，反方向做相同的運(yùn)動(dòng)。角度傳感器控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。橫桿長(zhǎng)度較長(zhǎng)加之?dāng)[桿重量較大，所以要求底座要有足夠的重量來(lái)支撐整個(gè)系統(tǒng)。于是，底座采用了“工”型結(jié)構(gòu)，保證了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。風(fēng)機(jī)選擇方面，既要保證風(fēng)力夠大，能夠?qū)崿F(xiàn)題目基本要求中的自由擺運(yùn)動(dòng)、快速制動(dòng)靜止。因?yàn)槎际乔蝮w，摩擦力較小，所以轉(zhuǎn)速較高。風(fēng)機(jī)內(nèi)力矩較大，是因?yàn)闄C(jī)內(nèi)繞了大量的銅線，導(dǎo)致重量較大，當(dāng)4個(gè)風(fēng)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)。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。但是到題目發(fā)揮部分（2）時(shí)，面對(duì)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(lái)狀態(tài)。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。 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。方案二：擺桿使用碳纖維材料，通過(guò)萬(wàn)向節(jié)與橫桿相連。硬件搭建合理，配重平衡的前提下，擺桿來(lái)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(xiě)代碼的工作量。 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。方案二：擺桿與風(fēng)機(jī)之間采用剛性連接，連接較為簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性能較好。 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(guò)系統(tǒng)輸入輸出觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)的算法。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(cè)量方差已知的情況下能夠從一系列存在測(cè)量噪聲的數(shù)據(jù)中，估計(jì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)。非線性數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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。我們可以設(shè)置擺桿傾角超過(guò)一個(gè)閾值θ，θ可通過(guò)擺動(dòng)半徑R（R=25cm）直接計(jì)算出。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(zhǎng)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(zhǎng)度▽?duì)龋?0cm▽?duì)?0cm）MPU6050將傾角，角速度送給單片機(jī)，單片機(jī)控制風(fēng)機(jī)來(lái)產(chǎn)生推力使擺桿擺動(dòng)。當(dāng)被控對(duì)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(chǎng)調(diào)試來(lái)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(duì)象，或是不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，也適合采用PID控制技術(shù)。其中P為比例系數(shù)；I為角度誤差的積分系數(shù)；D為微分系數(shù)。 圖24 系統(tǒng)控制框圖3 硬件與軟件的設(shè)計(jì) 單片機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)基于STM32F103單片機(jī)的主控電路，STM32F103是ST旗下的一款常用的增強(qiáng)型系列微控制器，STM32F103增強(qiáng)型微控制器系列使用高性能的ARM/CortexM3/32位的RISC內(nèi)核，具有處理能力強(qiáng)，功耗低，執(zhí)行能力強(qiáng)，中斷源多等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，C語(yǔ)言生成目標(biāo)代碼質(zhì)量高，程序執(zhí)行效率高，更易控制系統(tǒng)。
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