摘 要：基于PID控制算法和MPU-6050傳感器技術(shù)，采用MK60DN512單片機控制完成風(fēng)力擺控制系統(tǒng)。實現(xiàn)的功能有通過激光筆定時畫直線，定時畫圓周以及定時恢復(fù)靜止。軟件部分采用了姿態(tài)解算算法，實時進行角度監(jiān)控，對于控制系統(tǒng)中的相關(guān)問題提出了具體的解決辦法，并在實驗室進行測試，能給控制系統(tǒng)的研究工作帶來幫助。

關(guān)鍵詞：PID控制；MPU-6050；MK60DN512；風(fēng)力擺

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.069

1 系統(tǒng)設(shè)計方案論證與分析

風(fēng)力擺控制系統(tǒng)是一個綜合了控制與機械的系統(tǒng)，在機械方面與控制上要進行論證與選擇，在機械方面的選擇是實現(xiàn)功能的基礎(chǔ)，也間接決定了控制策略，設(shè)計系統(tǒng)的時在實驗室進行了很長時間的驗證以及方案設(shè)計與選擇。

1.1 風(fēng)力擺機械模塊方案的論證與選擇

方案一：采用二個12V 3.3A的直流風(fēng)機，對立擺放。

方案二：采用三個12V 3.3A的直流風(fēng)機，按三角形擺放。

方案三：采用四個12V 3.3A的直流風(fēng)機，按四方體擺放。

在實驗中發(fā)現(xiàn)兩個直流風(fēng)機質(zhì)量輕，易起擺，但是畫線不穩(wěn)定；三個直流風(fēng)機質(zhì)量中等，比較容易起擺，較穩(wěn)定，但是好控制；四個直流風(fēng)機質(zhì)量重，不易起擺，但是一旦起擺，最穩(wěn)定，四個的重量可滿足起擺的條件，且畫圓穩(wěn)定，所以選擇方案三。

1.2 傳感器模塊方案的選擇與論證

方案一：采用角度傳感器和加速度傳感器，算出傳入比后，角度傳感器可直接測量角度；加速度傳感器可以測量牽引力產(chǎn)生的加速度。

方案二：采用MPU-6050陀螺儀，6軸運動處理傳感器，集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速計，以及一個可擴展的數(shù)字運動處理器（DMP）可測量風(fēng)力擺的角速度以及角加速度，與方案一相比，MPU-6050的優(yōu)點是內(nèi)置數(shù)字運動處理（DMP）引擎可減少復(fù)雜的融合演算數(shù)據(jù)、感測器同步化、姿勢感應(yīng)等的負荷，得到的數(shù)據(jù)更準確。所以選擇方案二。

1.3 算法控制方案的論證與選擇

方案一：采用基于增量式PID的角度控制算法。通過對模擬控制系統(tǒng)PID控制規(guī)律表達式的離散化，可得數(shù)字式PID表達式為：。

方案二：采用模糊自調(diào)整參數(shù)PID控制，此控制既有模糊控制不依賴于被控對象，對被控對象的非線性和時變性具有一定的適應(yīng)能力等優(yōu)點，又引入了PID控制系統(tǒng)同時獲得良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。因為基于增量式PID的角度控制算法簡單穩(wěn)定，可靠性高，模糊自調(diào)整參數(shù)PID控制雖然非常精確，但是較難掌握，所以選擇方案一。

1.4 電源模塊方案的選擇與論證

方案一：采用298直流電機驅(qū)動電路，所用芯片l298屬于H橋集成電路，其輸出電流為2000mA，最高電流4A，最高工作電壓36V。

方案二：采用開關(guān)電源，標準輸出為12V 3A。雖然298直流電機驅(qū)動電路體積小，控制方便，但是承受電流較小，電壓不穩(wěn)定；開關(guān)電源優(yōu)點是小型、輕量和高效率且輸出穩(wěn)定，因此選擇方案二。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 K60最小系統(tǒng)與控制板

K60最小系統(tǒng)板，風(fēng)力擺系統(tǒng)的控制核心，由于系統(tǒng)設(shè)計的要求，在單片機設(shè)計中進行裁剪，以較好的控制MPU-6050進行姿態(tài)解算，通過串口傳遞數(shù)據(jù)到單片機，由單片機控制到OLED顯示，根據(jù)角度數(shù)據(jù)以及目標角度對風(fēng)力擺的擺動角度進行PID控制，完成目標擺動軌跡。.

2.2 MPU-6050模塊

MPU-6050對陀螺儀和加速計分別采用了三個16位的ADC，將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。和其他設(shè)備通信采用400KHz的12C接口，可由電源模塊的5V電路供電，核心板接MPU-6050的SDA和SCL引腳讀取數(shù)據(jù)。

2.3 人機交互模塊

OLED顯示模塊顯示風(fēng)力擺擺臂擺動的角度，角速度以及角加速度，控制單元完成數(shù)據(jù)處理后驅(qū)動顯示屏。由于該系統(tǒng)是一個實現(xiàn)多種功能的系統(tǒng)，需要在多種功能之間切換，設(shè)計OLED顯示與按鍵切換，可以很好滿足這一要求。

3 軟件設(shè)計

3.1 姿態(tài)解算

數(shù)據(jù)處理主要是姿態(tài)解算，姿態(tài)解算算法的核心在于旋轉(zhuǎn)，因為姿態(tài)解算需要頻繁組合旋轉(zhuǎn)和用旋轉(zhuǎn)變換向量，所以采用四元數(shù)保存組合姿態(tài)、輔以矩陣來變換向量的方案。姿態(tài)解算程序過程是：用一個計時器定時觸發(fā)測量，接著所有測量過程都靠中斷推進，然后判斷在main函數(shù)里不斷檢查測量是否完成，完成就進行解算。

3.2 PID算法

對于本風(fēng)力擺控制系統(tǒng)，U（k）即為輸給電機的PWM占空比，e（k）即為目標角度實際速度角度。由于微分項會致直流風(fēng)機振蕩，故只是用PI算法基于增量式PID的角度控制算法。

3.3 功能實現(xiàn)

在實現(xiàn)畫任意長度的線段時，需要將角度與線段長度進行轉(zhuǎn)換，從而通過控制系統(tǒng)的pid算法，讓系統(tǒng)實現(xiàn)該功能。在畫圓時，在受力分析時，發(fā)現(xiàn)需要螺旋式達到畫圓的介穩(wěn)定狀態(tài)，否則無法實現(xiàn)穩(wěn)定畫圓，在代碼實現(xiàn)時曾設(shè)計了先畫線段再左右擺動畫圓，結(jié)果不能實現(xiàn)功能。

4 總結(jié)

設(shè)計該系統(tǒng)時，到的最大的困難是機械問題，包括合適的直流風(fēng)機的選型，擺放位置，發(fā)現(xiàn)四只直流風(fēng)機放置時沒有相互隔離，導(dǎo)致氣體對流，在控制時無法實現(xiàn)要求的功能，于是在實驗室中設(shè)計了隔離輕質(zhì)固定殼，有效的隔離了對流，從而解決了在機械上出現(xiàn)的嚴重問題。該系統(tǒng)較好的實現(xiàn)了系統(tǒng)要求，但是還存在問題，經(jīng)過分析，誤差存在的主要原因有風(fēng)力擺機械結(jié)構(gòu)有摩擦，MPU-6050采集到的數(shù)據(jù)誤差，直流風(fēng)機的反應(yīng)滯后，姿態(tài)解算算法造成的誤差等。因此，可以優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)，減少摩擦力，采用反應(yīng)更靈敏的直流風(fēng)機，修改姿態(tài)解算算法或者選擇更合適的算法。

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作者簡介：汪世鵬（1994-），男，安徽安慶人，本科在讀，研究方向：電子信息工程。