风力摆控制系统初试报告

风力摆控制系统（B题）

摘要

本系统由STM32F103ZET6单片机、MPU6050陀螺仪模块、电机驱动模块、直流风机控制模块和电源模块组成。MPU6050陀螺仪检测到摆杆的水平面上的角速度和速度以及位置反馈给单片机，单片机用PID控制算法对数据进行处理，输出PWM波驱动直流风机运动，实现风力摆迅速起摆、等幅振荡、定角度起摆、快速制动、精准快速画圆等功能，并且偏差非常小，所用时间也远远小于题目中所给定时间。另外，该系统采用液晶屏显示，利用按键对风力摆进行控制，实现了良好的人机交互功能，使得控制操作非常方便。

关键词：风力摆；STM32；陀螺仪；直流风机

1系统方案

1.1系统结构

本系统主要由STM32F103ZET6单片机最小系统、电机驱动模块、电源模块、显示模块、摆杆、直流风机组成。直流风机为系统的执行机构，由专门的电机驱动芯片TB6612FN 驱动。摆杆固定在悬挂的万向节上，直流电机带动摆杆进行运动，系统通过固定在摆杆底部的MPU6050陀螺仪反馈回来的角度值和加速度值对四个风机进行PID 算法调节，实现了对摆杆的精准控制，完成了题目中的所有基本要求和发挥要求。

本系统的结构框图如图1-1所示。

图1-1系统结构框图

1.2方案比较与选择

1.2.1 风力摆控制方案的论证与选择

方案一：采用2只直流风机作为动力系统。采用2只风机并排垂直而立，分别位于摆杆两侧，通过控制风机转速控制风力摆使激光笔画线画圆。此方案风力摆负载轻，能快速度起摆，但其抗干扰性差，不容易实现精准控制。

方案二：采用3只直流风机作为动力系统。三只风机为等边三角形三边，相背而立，互成120°夹角。此方案相对于方案一在控制风力摆转动过程中状态微调方面有提升，但自成三角形，控制难度大，不利于精确控制风力摆状态。

方案三：采用4只直流风机作为动力系统。四只风机取一边靠于摆杆，朝向成顺时针排列，通过控制四只风机转速控制风力摆当前状态。此方案风力摆负载最重，但对于控制风力摆状态最为精确，动力最足，且抗干扰能力最强。

综合以上三种方案，考虑到风力摆的控制精度、抗干扰能力、系统响应速度等方面，我们选择方案三，采用4只直流风机作为动力系统。

1.2.2直流风机摆放位置论证与选择

方案一：四个风扇呈十字形摆放。风扇呈十字摆放时，同一平面的两个风机可以朝相反的方向扇风，控制摆杆朝两个相反的方向摆动，两组这样正交的风扇，就可以实现

电源模块

单片机 最小系统 矩阵键盘 陀螺仪 显示模块 摆杆

电机驱动模块 直流风机

摆杆在水平面上的受力，从而可以对摆杆进行各个方向的摆动进行控制。但是，经过测试，有两组相邻的两个风扇同时工作的时候，所扇出的风会互相干扰，影响摆杆的摆动，控制不精确。

方案二：四个风扇呈正方形摆放。风扇呈正方形摆放的时候，四个风扇互相背对，风从上面和下面的进风口进入风扇，四个风扇朝四个不同的方向朝外扇风，互不影响，并且通过对四个风扇的转速调节，可以精准的实现对摆杆各个方向运动的控制。

综合以上两种方案，方案二的硬件设计更加简洁，且精度更高，因此选择方案二。

1.2.3系统主控芯片的论证与选择

方案一：采用STC89C52单片机。STC89C52单片机是单片机中的经典，是一个8位的单片机，具有32个I/O接口，具有价格低廉、性能稳定、使用方便、外围电路成熟的优点，但是其缺点是其内部资源比较少，运行速度慢，功能较为单一，ROM空间较小。

方案二：采用大规模可编程器件。FPGA具有独立的I/O接口和逻辑单元，使用灵活，适用性强，且对于单片机来说，还有速度快，集成度高的特点，因此特别适用于复杂逻辑电路设计。但是FPGA的成本过高，算数运算能力不强，而且由于本设计对输出速度要求不高，因此FPGA的优势得不到充分体现。

方案三：采用STM32F103ZET6单片机。STM32F103ZET6为cotex-M3内核的32位的单片机，处理数据的速度明显快于8位单片机，而且端口比较多，内部资源丰富，可以同时处理多个任务，性能稳定，且性价比也比较高，完全满足本题目的要求。

由于本系统要同时用到四个直流风机来控制，还要处理传感器所传来的数据并进行分析，对单片机的处理能力要求较高，综合以上三种方案，STM32F103ZET6处理速度快，内存大，内部硬件资源丰富，性价比高，更适合设计要求，因此选择方案三。

2.系统理论分析与计算

2.1风力摆起摆物理受力分析

本系统的机械结构如图2-1。风力

摆的摆动部分用碳纤维作为摆杆，质量

较轻，相对于电机的质量来说可以忽略

不计，因此，摆动部分的质心可以近似

认为和四个电机的总质心重合。然后，

摆动部分就可以用物理模型（一个长为

R的轻质杆的下端固定一个质量为m

的小球）来代替，如图2-2。在不施加

外力时，当杆的摆角非常小，杆和小球

就相当于一个单摆，有固定的运动周

期：

2 Tπ=

图2-1

系统机械结构示意图

m

R

图2-2

风力摆物理模型

考虑到小球有固定的运动周期，就可以把施加给小球的起振力调成周期性变化的，力的周期和小球本身的固有震动周期相等，就可以产生共振，这样就可以实现在最短的时间让小球起振。对于本系统来说，就是让摆杆利用共振快速摆起较大的角度。

2.1风力摆的运动姿态分析

本系统采用四个风机，两个一组的形式来提供动力。两组风互相正交，因此可以将风力摆的运动轨迹分解为两个互相正交的运动矢量来对其进行运动分析。以坐标纸上的原点为原点，两组风机单独运动（理想状态下两组风机运动轨迹互成90度角）时所在的直线为坐标轴，建立平面直角坐标系。在X 坐标轴上对风机的摆杆进行受力分析（如图2-3和图2-4），图2-3为单摆平面内的几何关系图，图2-4为风机 的受力分析图。设摆线与竖直线之间的夹角为θ，在正下方时θ=0，

顺时针为正，逆时针为负。摆的角速度为w ，角加速度为α,F 为风机提供的主动力，f 为风力摆受到的阻力的大小，风力摆自由摆的过程 中速度很小，因此可以当作恒定值处理为一个恒定值，由于正弦运动相对于复杂的非正弦运动来说是比较容易控制的，对摆进行受力分析如下。 sin mR mg F f αθ=-+- (式2-1)

由式2-1可知可以通过调整F 的值，可以抵消掉f 。 令F=f ，则：

sin mR mg αθ=- (式2-2) 0g

R

αθ+=

(式2-3)

αθ=''

(式2-4)

令2g w R

=

得: 20w θθ+'='

(式2-5)

从而进一步解出：

()sin A wt θϕ≈+

(式2-6)

从上面的分析中可以得到X 坐标轴上的θx 的公式为：()sin x x x x w A t θϕ≈+，同理，也可以求到Y 坐标轴上的θy 的公式：()sin y y y y A w t θϕ≈+;并且实际向量为L=x+y; 由图2-3可知：X 轴上的坐标的公式为，即

()tan sin()x x x x x R A w t ϕ=+

(式2-7)

Y 轴上的坐标的公式为tan y R y θ=, 即

tan x R x θ=Y

图2-4风机受力分析图

X

f

Ft mg

F