岑強 王宇欣

摘 要：風(fēng)力擺是一種通過風(fēng)機作為唯一動力驅(qū)動的裝置。為了更科學(xué)合理地運用風(fēng)力擺，設(shè)計并制作了一套基于單擺物理模型的實物系統(tǒng)，為系統(tǒng)預(yù)設(shè)了定角度直線運動和圓周運動兩種主要形式。由此提出雙向穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的風(fēng)力擺機械設(shè)計模型，由四風(fēng)機構(gòu)成穩(wěn)定驅(qū)動裝置，以stm15單片機為控制核心，MPU6050為姿態(tài)傳感器，HMI串口屏實時顯示，核心控制模塊的定時器中斷方式，以閉環(huán)控制減小系統(tǒng)誤差，從而形成一個完整的控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：簡諧運動;PID算法;軌跡控制;IAP 15W4K58S4

1 引言

風(fēng)力擺是一種通過風(fēng)機作為唯一動力驅(qū)動系統(tǒng)，在規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定軌跡的控制系統(tǒng)，且在風(fēng)力擺啟動后不得以任何人為方式影響其運動。風(fēng)力擺控制系統(tǒng)作為一個控制裝置，其形象十分直觀，結(jié)構(gòu)較為簡單;而將其作為一個被控對象，它又顯得相當(dāng)復(fù)雜。就本身而言，風(fēng)力擺是一個穩(wěn)定性隨著時間與外部環(huán)境變化較為復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，所以在對風(fēng)力擺的控制中必須采取行之有效的方法，它才能穩(wěn)定工作。風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的穩(wěn)定效果十分明顯，對它的度量可以通過直接觀測其響應(yīng)速度、軌跡重合度以及線性誤差來判斷，一目了然。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

風(fēng)力擺控制系統(tǒng)本質(zhì)為一套伺服隨動控制系統(tǒng)，以四個對稱布置的風(fēng)機作為動力源，提供風(fēng)力擺在四個方向的推力。角度傳感器實時采集風(fēng)力擺的姿態(tài)。MCU主控單元獲取角度并與目標(biāo)值比較，經(jīng)運算后得出控制量，送給風(fēng)機執(zhí)行，從而完成預(yù)設(shè)的定角度直線擺動和圓周運動。為調(diào)試方便，系統(tǒng)加入PID調(diào)節(jié)模塊。

3 電路設(shè)計

3.1主控單片機的選型

系統(tǒng)選取STC公司出品的增強型51單片機工IAP 15W4K58S4作為主控芯片，可受益于ST C公司提供的STC一ISP上位機輔助軟件，大大提高開發(fā)效率。利用其自帶的6路PWM發(fā)生器中的4路作為四個電機的PWM控制;串口2負責(zé)與MPU6050通信，實時采集角度信息;串口3負責(zé)與USART-HMI串口屏通信，刷新關(guān)鍵參數(shù)的顯示;串口1負責(zé)與PC上位機通信，來在線調(diào)整PID參數(shù)。PID參數(shù)整定完成后，即可關(guān)閉比功能，以減少對系統(tǒng)的干擾。

3.2姿態(tài)傳感器的選型

姿態(tài)傳感器MPU6050是InvenSense公司推出的一款6軸傳感器模塊，包括三軸加速度，三軸角速度。其體積小巧，用途廣泛。鑒于IAP 15W4K58S4是8位單片機，運算能力有限，而常用的四元數(shù)融合、卡爾曼濾波等姿態(tài)解算方法運算量很大，會占用不小的系統(tǒng)時間，導(dǎo)致PID控制算法及其它程序的執(zhí)行困難。因此，本系統(tǒng)選用自身帶數(shù)據(jù)融合的姿態(tài)傳感器模塊，通過串口與主控單片機通信，輸出角度參數(shù)，應(yīng)用方便，有效減輕了主控單片機的負擔(dān)。

3.3風(fēng)機的選型

風(fēng)機選取716空心杯電機配55mm槳?？招谋姍C具有高轉(zhuǎn)速，高推重比，較高的頻率響應(yīng)，高機動性速性能好，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便等優(yōu)點，可為風(fēng)力擺控制系統(tǒng)提供快速的響應(yīng)和靈活的機動性，且無需專門的電子調(diào)速器，驅(qū)動方便。采用L298N作為電機驅(qū)動模塊，配合PWM技術(shù)，使電機調(diào)速靈敏精確，且具有很好的線性度。通過單片機輸出PWM波很容易實現(xiàn)對電機正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)和停止等操作。

4 算法設(shè)計及軟件編程

4.1物理模型的建立

風(fēng)力擺的運動是一種單擺運動，可以將其理想化為由擺錘和擺線組成。在其擺動角度比較小的情況下，其運動規(guī)律可以看作是簡諧運動。

風(fēng)力擺的四個空心杯電機控制風(fēng)力擺在互相垂直的兩個方向做簡諧運動，根據(jù)莉薩理論可以方便地控制風(fēng)力擺的運動曲線，使其畫出圓形、直線和橢圓等各種圖形。當(dāng)兩簡諧運動的相位差為士90。其他參數(shù)相等時軌跡為圓形，當(dāng)相位差為0。其他參數(shù)相等時軌跡為直線。當(dāng)相位差在00到90。的范圍內(nèi)時，軌跡為橢圓。

4.2正弦函數(shù)的生成

為了使風(fēng)力擺完成幅度可控且可循環(huán)往復(fù)的直線或圓周運動，需要使風(fēng)機在X軸和Y軸方向上完成兩個獨立的幅值可控的正弦運動，如此，便需要由軟件產(chǎn)生一個實時的正弦函數(shù)，以此正弦函數(shù)來控制風(fēng)力擺的運動。

首先需對運動的周期進行歸一化，人為的設(shè)定一個運動周期T，這個周期可通過單擺運動周期公式粗略計算作參考;另外通過單片機定時器每隔5ms進行自加一次得到一個MTC變量，通過計算MTC/T的值來得到實時變化的、歸一化的周期，然后把得到的歸一化的周期值與2π相乘轉(zhuǎn)化為對應(yīng)弧度值?，2π表示一個完整的正弦運動過程。

正弦函數(shù)的幅值大小可建立相應(yīng)模型，設(shè)擺動過程中L為擺桿的長度，R為擺動的半徑或擺幅，a為擺桿與鉛錘方向的角度，如此便可得到風(fēng)力擺的最大角度值a，且通過改變這一角度值即可改變圓周運動的半徑或直線運動的幅值。這樣通過C語言庫中自帶的sin函數(shù)便可得到一個與運動周期、運動時間、運動幅值有關(guān)的正弦函數(shù)，其中Set_ Value即為實時變化的設(shè)定值。

4.3PID算法運動控制

本系統(tǒng)中采用了位置式PID算法，來使風(fēng)力擺準(zhǔn)確按預(yù)定軌跡動作，并且使系統(tǒng)擁有了良好的穩(wěn)定性和抗干擾能力。PID算法由比例、積分、微分三個控制環(huán)節(jié)組成。輸人控制量：（t）與反饋量y（t）做差后得到偏差e（t），偏差值經(jīng)過比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)后，得到輸出值u（t）。

在本系統(tǒng)中，輸人控制量由正弦函數(shù)生成，作為PID算法的目標(biāo)值。MPU6050姿態(tài)傳感器采集的角度值作為反饋量，即當(dāng)前風(fēng)力擺的實際角度值。將目標(biāo)值與實際值比較作差，得到偏差角度，將偏差角度經(jīng)過比例、積分、微分運算，得到輸出控制量，即電機的PWM值，從而改變電機轉(zhuǎn)速，調(diào)整風(fēng)力擺在各個方向上的受力情況，使風(fēng)力擺按照設(shè)定軌跡運動。為了防止輸出控制量過大或過小而引起的系統(tǒng)失調(diào)或超調(diào)現(xiàn)象，程序中需要對輸出控制量進行死區(qū)和限幅控制，從而保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

4.4程序部分

程序采用c語言編寫，使用Keil uVision C51集成開發(fā)環(huán)境。程序包括對工IAP 15W4K58S4單片機相關(guān)外設(shè)的初始化、中斷與串口的配置，同時將控制算法轉(zhuǎn)化為計算機可識別的機器語言。

5 結(jié)束語

本風(fēng)力擺控制系統(tǒng)建立了單擺運動的物理模型，以運動的合成與分解為主要思想，結(jié)合穩(wěn)定精簡的硬件平臺和優(yōu)秀的算法，使風(fēng)力擺實現(xiàn)了定角度直線擺動和圓周運動，且運動過程穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確，抗干擾能力強。

參考文獻

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