基于K60的風力擺控制系統研究

摘 要：基于PID控制算法和MPU-6050傳感器技術，采用MK60DN512單片機控制完成風力擺控制系統。實現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靜止。軟件部分采用了姿態解算算法，實時進行角度監控，對于控制系統中的相關問題提出了具體的解決辦法，并在實驗室進行測試，能給控制系統的研究工作帶來幫助。

關鍵詞：PID控制；MPU-6050；MK60DN512；風力擺

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

1 系統設計方案論證與分析

風力擺控制系統是一個綜合了控制與機械的系統，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功能的基礎，也間接決定了控制策略，設計系統的時在實驗室進行了很長時間的驗證以及方案設計與選擇。

1.1 風力擺機械模塊方案的論證與選擇

方案一：采用二個12V 3.3A的直流風機，對立擺放。

方案二：采用三個12V 3.3A的直流風機，按三角形擺放。

方案三：采用四個12V 3.3A的直流風機，按四方體擺放。

在實驗中發現兩個直流風機質量輕，易起擺，但是畫線不穩定；三個直流風機質量中等，比較容易起擺，較穩定，但是好控制；四個直流風機質量重，不易起擺，但是一旦起擺，最穩定，四個的重量可滿足起擺的條件，且畫圓穩定，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字運動處理器（DMP）可測量風力擺的角速度以及角加速度，與方案一相比，MPU-6050的優點是內置數字運動處理（DMP）引擎可減少復雜的融合演算數據、感測器同步化、姿勢感應等的負荷，得到的數據更準確。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PID控制規律表達式的離散化，可得數字式PID表達式為：。

方案二：采用模糊自調整參數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能力等優點，又引入了PID控制系統同時獲得良好的動態性能和穩態性能。因為基于增量式PID的角度控制算法簡單穩定，可靠性高，模糊自調整參數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：采用開關電源，標準輸出為12V 3A。雖然298直流電機驅動電路體積小，控制方便，但是承受電流較小，電壓不穩定；開關電源優點是小型、輕量和高效率且輸出穩定，因此選擇方案二。

2 系統設計

2.1 K60最小系統與控制板

K60最小系統板，風力擺系統的控制核心，由于系統設計的要求，在單片機設計中進行裁剪，以較好的控制MPU-6050進行姿態解算，通過串口傳遞數據到單片機，由單片機控制到OLED顯示，根據角度數據以及目標角度對風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化為可輸出的數字量。和其他設備通信采用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引腳讀取數據。

2.3 人機交互模塊

OLED顯示模塊顯示風力擺擺臂擺動的角度，角速度以及角加速度，控制單元完成數據處理后驅動顯示屏。由于該系統是一個實現多種功能的系統，需要在多種功能之間切換，設計OLED顯示與按鍵切換，可以很好滿足這一要求。

3 軟件設計

3.1 姿態解算

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

3.2 PID算法

對于本風力擺控制系統，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

在實現畫任意長度的線段時，需要將角度與線段長度進行轉換，從而通過控制系統的pid算法，讓系統實現該功能。在畫圓時，在受力分析時，發現需要螺旋式達到畫圓的介穩定狀態，否則無法實現穩定畫圓，在代碼實現時曾設計了先畫線段再左右擺動畫圓，結果不能實現功能。

4 總結

設計該系統時，到的最大的困難是機械問題，包括合適的直流風機的選型，擺放位置，發現四只直流風機放置時沒有相互隔離，導致氣體對流，在控制時無法實現要求的功能，于是在實驗室中設計了隔離輕質固定殼，有效的隔離了對流，從而解決了在機械上出現的嚴重問題。該系統較好的實現了系統要求，但是還存在問題，經過分析，誤差存在的主要原因有風力擺機械結構有摩擦，MPU-6050采集到的數據誤差，直流風機的反應滯后，姿態解算算法造成的誤差等。因此，可以優化機械結構，減少摩擦力，采用反應更靈敏的直流風機，修改姿態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。