完整版基于stm32的風力擺

1、基于stm32的旋轉(zhuǎn)倒立擺2017年全國大學生電子設計競賽陜西賽區(qū) 設計報告封面（由組委會填寫）（由組委會填寫）作品編號:剪切線作品編號:參賽隊編號（參賽學校填寫）學校編號組（隊）編號選題編號021802說 明1.為保證本次競賽評選的公平、公正，將對競賽設計報告采用二次編碼；2,本頁作為競賽設計報告的封面和設計報告一同裝訂；“作品編號”由組委會統(tǒng)一編制，參賽學校請勿填寫；“參賽隊編號”由參賽學校編寫，其中“學校編號”應按照巡視員提供的組 委會印制編號填寫，“組（隊）編號”由參賽學校根據(jù)本校參賽隊數(shù)按順序編排, “選題編號”由參賽隊員根據(jù)所選試題編號填寫，例如：“0105B”或3367F”。本頁

2、允許各參賽學校復印基于stm32的旋轉(zhuǎn)倒立擺基于stm32的風力擺控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)摘要本系統(tǒng)采用STM32F103F發(fā)板作為控制中心，與萬向節(jié)、擺桿、空心杯電機、 激光頭、反饋裝置一起構(gòu)成擺桿運動狀態(tài)與風機速度分配的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。單片機輸出可變的PWMS給電機調(diào)速器，控制4個方向上風機的風速，從而產(chǎn)生大 小不同的力。利用加速度計模塊 MPU6050準確測出擺桿移動的位置與中心點位 置之間的關(guān)系，采樣后反饋給單片機，使風機及時矯正，防止脫離運動軌跡?？?制方式采用PID算法，比例環(huán)節(jié)進行快速響應，積分環(huán)節(jié)實現(xiàn)無靜差，微分環(huán)節(jié) 減小超調(diào)，加快動態(tài)響應。從而使該系統(tǒng)具有良好的性能，能很好地實現(xiàn)

3、自由擺 運動、快速制動靜止、畫圓、指定方向偏移，具有很好地穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞：STM32F103 ;空心杯電機；MPU6050 ; PIDAbstractThis system adopts the STM32F103V development board as the control center, and the universal joint, swinging rod, dc fan (brushless motor + blades), laser, feedback device together form the swinging rod motion state and fan s

4、peed distribution of the double closed loop speed regulation system. MCU output variable PWM waves to the motor speed, control four directions wind speed of the fan, to produce different size. Using accelerometer module MPU6050, accurately measure the position of swinging rod mobile and center posit

5、ion, the relationship between the sampling after feedback to the single chip microcomputer, the fan timely correction, prevent from the trajectory. Use the compass module judging direction, deviation control system to a specified direction. Using PID algorithm control method, proportion link for qui

6、ck response, integral element to realize astatic, differential link decrease overshoot, speed up the dynamic response. So that the system has good performance, which can well realize the pendulum movement,基于stm32的旋轉(zhuǎn)倒立擺fast brake static, circle, specify the direction deviation, has a good stability.K

7、eywords : STM32F103 ; Hollow cup motor ; MPU6050 ; PID1引言風力擺控制系統(tǒng)是自動控制理論的重要研究平臺，可對應于人工智能控制 技術(shù)，因此對它的研究具有重大的實踐意義和價值。目前對風力擺的研究主要 分為系統(tǒng)力學分析及建模，控制算法及仿真，而對實現(xiàn)手段少有研究。文章討 論了以STM3刻核心的風力擺控制器的設計與實現(xiàn)，它實現(xiàn)了經(jīng)典雙回路PID控制算法對風力擺的控制策略。2方案設計與論證系統(tǒng)基本方案控制方案設計為了實現(xiàn)題目要求我們采用 STM32F10曲片機做為主控芯片，用加速度計陀 螺儀模塊MPU605耒計算角度和風機狀態(tài)，用直流風機帶動擺桿運動

8、。當MPU6050 檢測到擺桿的角度時，可根據(jù)三角函數(shù)公式計算出擺桿現(xiàn)在距離中心的具體位置（方向、距離），單片機會控制PW極的輸出大小來控制風機的風速與方向，使 擺桿達到在特定位置靜止或按照一定的軌跡運動。當擺桿處于自然下垂狀態(tài)時， 給四個風機同時上電且風向都向外， 此時擺桿仍處于受力平衡一一靜止狀態(tài)。 此 時降低X軸上一個風機的轉(zhuǎn)速，擺桿將會帶動激光頭在X軸上畫一條直線，當達 到一定的傾斜角度時，單片機可根據(jù)角度計算出此時距離中心的距離是否 =25cm 若達到要求后，此風機減速，X軸反方向上電機逐漸加速，恢復到初始速度，反 方向做相同的運動。在此過程中，單片機做出 A/D采樣，Y軸方向方向風

9、機隨時 做出矯正，防止發(fā)生軌跡偏移。角度傳感器控制系統(tǒng)框圖如圖1所示?；趕tm32的旋轉(zhuǎn)倒立擺電源管理示顯晶詼圖2-1控制系統(tǒng)框機械結(jié)構(gòu)方案設計由于擺桿長度（60cm70cm較長，且要求激光頭在地面畫出 15cm35cm勺 圓，所以要求橫桿的距離要足夠長。 橫桿長度較長加之擺桿重量較大， 所以要求 底座要有足夠的重量來支撐整個系統(tǒng)。如果結(jié)構(gòu)不穩(wěn)或者重量不夠，擺桿運動過 程中將會產(chǎn)生傾倒或者抖動等現(xiàn)象，影響測試結(jié)果。于是，底座采用了 “工”型 結(jié)構(gòu)，保證了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。擺桿材料方面，我們選用輕便的硬質(zhì)鐵質(zhì)材料 與風機進行剛性連接，既能保證連接處的穩(wěn)定，又可達到減輕底座負擔的目的。 風機選擇

10、方面，既要保證風力夠大，能夠?qū)崿F(xiàn)題目基本要求中的自由擺運動、快速制動靜止。又要有一定的重量，質(zhì)量越大，慣性越大，越不容易改變原來的運 動狀態(tài)，在實現(xiàn)發(fā)揮部分（2）時，受到外界干擾，不容易改變原來的圓周運動 狀態(tài)機械結(jié)構(gòu)如圖2-2.基于stm32的旋轉(zhuǎn)倒立擺1.底座；2.豎桿；3.橫桿；4.螺栓；5.萬向節(jié)；6.擺桿；7.風機；8.風機；9.風 機；10.風機各部分方案選擇與論證電機選擇方案一：采用小型軸流風機（大功率），使用雙滾珠軸承，采用滾動 摩擦的形式，軸承中有數(shù)顆微小鋼珠圍繞軸心，當扇葉轉(zhuǎn)動時，鋼珠即跟 著轉(zhuǎn)動。因為都是球體，摩擦力較小，所以轉(zhuǎn)速較高。能達到 8000RMP同 時產(chǎn)生較大

11、的風力。風機內(nèi)力矩較大，是因為機內(nèi)繞了大量的銅線，導致 重量較大，當4個風機固定到一起時，重量更大，風機產(chǎn)生的風力帶動風 機運動困難加大，更難做到題目中按要求運動。另一方面，此風機功率較 大，所需電流較大，驅(qū)動與供電方面也有很大問題。方案二：采用雙環(huán)強磁空心杯電機，內(nèi)部使用強磁，轉(zhuǎn)速較高。風力也 足夠大，基本能達到要求。但是到題目發(fā)揮部分（2）時，面對外界風力干擾 時，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， 空心杯電機使用3.7V供電，供電電壓較低，單片機控制電機轉(zhuǎn)速時，空心杯 的電壓線性度較小，而不易被精準控制。方案三：采用空心杯電機，風力較大，重量適中，完全能達到

12、題目運動 狀態(tài)要求，速度控制精確。綜合考慮，我們選擇方案三。電機驅(qū)動的選擇由于上述電機選擇了空心杯電機，所以我們選擇的驅(qū)動是ULN2003A基于stm32的旋轉(zhuǎn)倒立擺擺桿與橫桿的連接選擇方案一：擺桿使用粗單股導線直接與橫桿連接，連接簡單且自由度較好, 給風機供電等方面都比較容易，但是導線容易產(chǎn)生自旋，風機固定困難也增 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。用此材料強度 能夠達到要求，且風機固定容易。硬件搭建合理，配重平衡的前提下，擺桿 來回擺動不易發(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)約時間。擺桿與風機的連接選

13、擇方案一：擺桿與風機之間使用一個直流電機或者舵機連接，這樣可以隨 時改變風機的方向，同時可減少風機的數(shù)量，控制量減少。但是此方案連接 結(jié)構(gòu)較為復雜，發(fā)揮部分圓周運動穩(wěn)定性不高。方案二：擺桿與風機之間采用剛性連接，連接較為簡單，穩(wěn)定性能較好。 綜上考慮，我們選擇方案二?？柭鼮V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)進行最優(yōu)估計的算法。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)估計也可看作是濾波過程。數(shù)據(jù)濾波是去除噪聲還原真實數(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 計動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)。在本系統(tǒng)中以風力擺

14、所有過去的擺角輸入和擾動作用最小參數(shù)的集合為基 礎對未來擺角數(shù)據(jù)進行預測，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， 能夠與未來的輸入與系統(tǒng)的擾動一起確定風力擺擺角的整個變化。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?；趕tm32的旋轉(zhuǎn)倒立擺風力擺運動狀態(tài)的分析基本要求（1）中屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，激光筆繪制的軌跡超過 50cm即可。我們可以設置擺桿傾角超過一個閾值 8, 9可通過擺動半徑R （R=25cm直接計算出。然后，通過開環(huán)調(diào)節(jié)，從低到高改變風機的風速，直到擺桿的角度超過閾值，記下此時PW極脈寬級作用時間。圖2-3擺桿角度姿態(tài)分析圖要繪制50

15、cm直線，只需R25cm（R為地面運動軌跡的一半）在平面內(nèi)運動即可RRtan 則 arctan （）其中L為擺桿與激光頭的長度，a為激L aL a光頭到地面的距離（a=20cm基本要求（2）擺動幅度可控，屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)， 公式計算與（1）相同設置直線長度 8 （30cmq 9 一56 二H工 Ed L_co?l怎工 二工工 烹 三 寸工36 VDDA3?JTMS PA13PBBBpppD2S2MSU2U1UCMAB15U13VDvsmPAPAPAp*STM32-叱 H- g圖3-1 STM32F103單片機最小系統(tǒng)電路圖電源與驅(qū)動模塊設計本系統(tǒng)采用LM2596開關(guān)電源供電，LM2596為可調(diào)

16、式的開關(guān)電源，可固定輸 出3.3V、5V、12V電壓，可調(diào)版本可以輸出小于37V的各種電壓。具有很好的線 性和負載調(diào)節(jié)特性。LM2596將輸出電壓同內(nèi)部基準穩(wěn)壓值進行比較，通過放大 器調(diào)節(jié)去芯片內(nèi)部振蕩器的輸出占空比，從而穩(wěn)定輸出電壓，穩(wěn)定輸出的電壓經(jīng)電容進行平滑濾波。在實際操作中通過調(diào)節(jié) R2改變輸入電壓，經(jīng)LM2596急壓得 到所需電壓。本系統(tǒng)中通過經(jīng)LM2596穩(wěn)壓彳4到3.3V、5V、7V電壓，分別給單片機、驅(qū)動、 聲光報警模塊、風機供電。電源模塊電路如圖3-2所示。GNIJ基于stm32的旋轉(zhuǎn)倒立擺圖3-2電源模塊電路圖驅(qū)動模塊設計本系統(tǒng)采用ULN2003B動模塊驅(qū)動軸流電機作為本系

17、統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。單片機 對角度數(shù)據(jù)處理后輸出PWMfeg制ULN2004區(qū)動模塊。ULN200犯高耐壓、大電 流達林頓陳列，由七個硅達林頓管組成。ULN2003的每一對達林頓都串聯(lián)一個基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和CMO跑路直接相連，可以 直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)中所選的軸流電機所需驅(qū)動電壓較小， ULN2004區(qū)動模塊驅(qū)動電壓 剛好適用，ULN200或際為多個NPNE極管，相比其他驅(qū)動模塊，ULN2003B作 簡單，易于編程。驅(qū)動模塊電路如圖3-3所示圖3-3驅(qū)動模塊電路圖聲光報警模塊設計本系統(tǒng)采用蜂鳴器和LED燈作為聲光報警模塊。按照題目要求運動達到要

18、求 時要進行一定的聲光提示，題目要求不高，蜂鳴器和 LED燈完全能夠達到要求。 在此模塊中系統(tǒng)采用三極管9012作為開關(guān)控制LED燈亮、蜂鳴器報警。三極管 9012為NPNE三極管，當運動軌跡達到要求時，單片機給 NPN9012極一個低 電平時，三極管導通，LED丁亮、蜂鳴器報警。在電路中1N4007二極管主要起保 護電路作用。驅(qū)動模塊電路如圖3-4所示?；趕tm32的旋轉(zhuǎn)倒立擺Q-6ND圖3-4電源模塊電路圖軟件的實現(xiàn)本系統(tǒng)采用STM32F10曲片機為控制器，采用C語言編程。程序主要起導向 和決策的作用，它控制整個系統(tǒng)穩(wěn)定協(xié)調(diào)的運作。 在本系統(tǒng)中，對各個模塊的調(diào) 試采用分步進行，確定各個模

19、塊的獨立工作完整性，然后再對整個系統(tǒng)所有模塊 進行完糅合，使其完成系統(tǒng)的所有功能。由按鍵選擇風力擺的工作模式，單片機通過控制風機轉(zhuǎn)速改變風力擺的擺 角。陀螺儀檢測風力擺擺角將數(shù)據(jù)反饋給單片機，采用低通濾波進行非線性信 號處理，然后進行四元數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)卡爾曼濾波得到易于控制的線性信號，最后 由PID控制算法得到PWMS,由此調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)風力擺的規(guī)律運動。系統(tǒng)主流程圖如圖3-5所示。基于stm32的旋轉(zhuǎn)倒立擺圖3-5系統(tǒng)主流程圖中斷流程圖如圖3-6所示。圖3-6中斷流程圖基于stm32的旋轉(zhuǎn)倒立擺4系統(tǒng)測試主要測試用的儀器在室溫條件下，測t所用儀器如表 4-1所示。表4-1測試儀器編R型號數(shù)量

20、1直尺1個2量角器1個3秒表1個4延時相機1個指標測試結(jié)果測試風力擺從處于自然下垂狀態(tài)開始，15秒內(nèi)激光筆是否能夠畫出50 cm的 直線段，是否能夠畫出自由設定 3060 cm的自由線段，風力擺是否能夠按照設 定運動，以及將風力擺拉起30 45時能否靜止，共測試6組數(shù)據(jù)，如表4-2所 示。表4-2擺桿角度測試結(jié)果次數(shù)能否回出50 cm 的直線段能否畫出自由設定3060 cm的自由線段能否按照設定運 動能否靜止1能臺匕 目匕能能2臺匕 目匕臺匕 目匕臺匕 目匕臺匕 目匕3臺匕 目匕臺匕 目匕臺匕 目匕臺匕 目匕4臺匕 目匕臺匕 目匕臺匕 目匕臺匕 目匕5臺匕 目匕臺匕 目匕臺匕 目匕臺匕 目匕6

21、臺匕 目匕臺匕 目匕臺匕 目匕臺匕 目匕基于stm32的旋轉(zhuǎn)倒立擺測試結(jié)果及誤差分析經(jīng)過測試，本系統(tǒng)基本完成了基礎部分的要求，完成情況如表 4-3所示表4-3測試結(jié)果題目要求完成情況基本部分(1)從靜止開始，15s內(nèi)控制風力擺做類似自由擺運動，使激光筆穩(wěn)定地在地面畫出一條長度不短于50cm的直線段，其線性度偏差不大于土 2.5cm,并且具有較好的重復性。完成(2)從靜止開始，15s內(nèi)完成幅度可控的擺動，回出長度在3060cm同口設置，長度偏差/、大于土 2.5cm的直線段， 并且具有較好的重復性。完成(3)在擺桿處于自然下垂狀蕊下，外力拉起擺桿至接近1650位置，外力撤除同時，啟動控制旋轉(zhuǎn)臂使擺桿保持倒立狀態(tài)時間不少于 5s；期間旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動角度不大于90 c完成續(xù)表4-3發(fā)揮部分(1)以風力擺靜止時激光筆的光點為圓心，驅(qū)動風力擺用激光筆在地囿回圓，30s內(nèi)需重復3次；圓半徑可在1535cm范圍內(nèi)設置，激光筆回出的軌跡應落在指定半 徑2.5cm的圓劃、內(nèi)?；就瓿?2)在發(fā)揮部分(1)后繼續(xù)作圓周運動，在距離風力擺12m距高內(nèi)用一臺 5060W臺扇在水平方向吹向風力擺， 臺扇吹5s后停止，風力擺能夠在 5s內(nèi)恢復發(fā)揮部分(1) 規(guī)定的圓周運動，激光筆回出符合要求的軌跡。基本完成經(jīng)過測試，本系統(tǒng)完成了預期的目標誤差分析，由于STM32F103自身的精度，外圍電路中非線性元件，陀