一種基于STM32的風(fēng)力擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

畢濤 葛寶川 劉迪 楊莉莉

摘 ?要：本系統(tǒng)以STM32為核心控制芯片，由姿態(tài)采集模塊、風(fēng)力擺模塊、人機(jī)交互模塊及機(jī)械結(jié)構(gòu)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。姿態(tài)采集模塊采用六軸加速度陀螺儀MPU6050，采集姿態(tài)數(shù)據(jù)后通過內(nèi)部集成的DMP處理單元進(jìn)行姿態(tài)角的解算。STM32根據(jù)解算得到的角度計(jì)算風(fēng)力擺的狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)各狀態(tài)量PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力擺擺動(dòng)幅度和線性度的控制，將輸出量和輸入量進(jìn)行線性分解，控制風(fēng)力擺完成按指定軌跡運(yùn)動(dòng)。本系統(tǒng)受到外部干擾后能快速恢復(fù)到指定狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力擺;STM32;MPU6050;PID

中圖分類號(hào)：TP273 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）14-0068-04

Abstract： This system takes STM32 as the core control chip， and consists of attitude acquisition module， wind pendulum module， human-computer interaction module and mechanical structure， forming a closed-loop control system. Six axis acceleration gyroscope MPU6050 is used in the attitude acquisition module. After collecting the attitude data， the attitude angle is calculated through the internal integrated DMP processing unit. STM32 calculates the state of the wind pendulum according to the angle obtained by the solution，controls the swing amplitude and linearity of the wind pendulum by adjusting the PID parameters of each state quantity， linearly decomposes the volume of output and input， and controls the wind pendulum to move according to the specified track. The system can quickly recover to the specified state after external interference.

Keywords： wind pendulum; STM32; MPU6050; PID

0 ?引 ?言

風(fēng)力擺控制系統(tǒng)是一種利用風(fēng)力作為動(dòng)力對(duì)物體進(jìn)行位置控制的擺動(dòng)裝置控制系統(tǒng)。在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)、飛行控制系統(tǒng)、娛樂場(chǎng)所、自動(dòng)控制教學(xué)領(lǐng)域中，風(fēng)力擺系統(tǒng)有很高的實(shí)用價(jià)值。目前的普遍問題是風(fēng)力擺系統(tǒng)的自動(dòng)控制水平不高。本文主要介紹風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、硬件的選取、運(yùn)動(dòng)控制算法的分析、軟件實(shí)施方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，讀者可以結(jié)合所學(xué)的自動(dòng)控制原理相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)風(fēng)力擺系統(tǒng)并加以改進(jìn)。

1 ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體要求如下：

首先，控制風(fēng)力擺做自由擺運(yùn)動(dòng)，在15秒內(nèi)使激光筆在地面畫出一條直線段，長度不短于50厘米，誤差小于2.5厘米;其次，讓風(fēng)力擺以一定角度（30°～45°）擺動(dòng)，5秒內(nèi)使風(fēng)力擺靜止;最后，驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺用激光筆在地面畫圓，圓的半徑可在15～35厘米范圍內(nèi)可調(diào)，誤差小于2.5厘米。

主控模塊負(fù)責(zé)外部輸入信號(hào)的處理和產(chǎn)生所需的輸出信號(hào);人機(jī)交互模塊主要完成參數(shù)的設(shè)定和顯示功能;傾角采集模塊主要負(fù)責(zé)將風(fēng)力擺的實(shí)時(shí)角度信息進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳送給CPU進(jìn)行處理;風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生PWM脈沖驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng);供電電源模塊主要提供整個(gè)系統(tǒng)中所需的12 V和5 V電源。風(fēng)力擺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 ?系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

2.1 ?主控模塊

采用STM32作為核心控制芯片。STM32F4支持J-link仿真調(diào)試，調(diào)試方便;資源豐富，有16個(gè)中斷源、51個(gè)快速IO口;運(yùn)行速度快，頻率最高可達(dá)到72 MHz，完全能勝任題目任務(wù)要求。STM32不僅內(nèi)含硬件IIC電路，可以實(shí)現(xiàn)較高速率的采樣，并且可以直接設(shè)置輸出PWM波。STM32中FPU可以專門進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，大部分浮點(diǎn)運(yùn)算可以在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。

2.2 ?姿態(tài)采集模塊

采用MPU6050六軸傳感器。MPU6050集成了陀螺儀和加速度傳感器，可以測(cè)量三軸加速度和三軸角速度。MPU6050具有較高的精度，可測(cè)量1%的運(yùn)動(dòng)變化。同時(shí)MPU6050內(nèi)部集成了DMP處理單元，可以獨(dú)立完成姿態(tài)融合的解算，運(yùn)算速度快且誤差小。MPU6050可使用最高400 kHZ的IIC或最高20 MHz的SPI，符合系統(tǒng)要求。

2.3 ?風(fēng)機(jī)控制模塊

采用12 V、0.65 A的軸流風(fēng)機(jī)。該風(fēng)機(jī)重量較小，滿轉(zhuǎn)時(shí)可產(chǎn)生11.52 m/s的風(fēng)速，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)要求。

采用L298為雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)二相或1個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，可直接輸出PWM信號(hào)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電路簡(jiǎn)單，如圖3所示。

2.4 ?人機(jī)交互模塊的設(shè)計(jì)

采用12864OLED進(jìn)行顯示。OLED12864具有厚度薄、質(zhì)量輕、響應(yīng)速度快、可視角度大、發(fā)光效率高、成本低、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

采用紅外遙控器進(jìn)行輸入。紅外遙控占用資源少、使用方便、按鍵可靠，并且可以實(shí)現(xiàn)10 MB內(nèi)的無線遙控。

3 ?運(yùn)動(dòng)控制算法的分析

3.1 ?風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的測(cè)量

MPU6050是整合型六軸處理組件，組合了陀螺儀和加速度傳感器。測(cè)得的數(shù)據(jù)通過MPU6050內(nèi)部集成的DMP數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器進(jìn)行姿態(tài)角解算，DMP可以進(jìn)行復(fù)雜的姿態(tài)融合解算，減輕核心控制器的負(fù)擔(dān)。MPU6050和控制器之間采用400 kHz的IIC通信，實(shí)現(xiàn)較高的采樣速率。但由于MPU6050有噪聲干擾，控制器接受到數(shù)據(jù)后還需要進(jìn)行簡(jiǎn)化的卡爾曼濾波，這樣獲得的姿態(tài)角、加速度有較高的精確度。

3.2 ?控制量的計(jì)算

對(duì)激光筆劃線距離的控制L可以轉(zhuǎn)化為對(duì)風(fēng)力擺一個(gè)周期內(nèi)最大角度θmax的控制：

但是在一個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)只能采集一次θmax，無法進(jìn)行精準(zhǔn)的控制。由于風(fēng)力擺做近似自由擺的運(yùn)動(dòng)，所以風(fēng)力擺能擺到的角度取決于系統(tǒng)所具有的機(jī)械能。通過測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算風(fēng)力擺所具有的機(jī)械能，對(duì)機(jī)械能進(jìn)行PID控制就可以得到較為精確的結(jié)果。

根據(jù)物理知識(shí)可知：

但是ω的噪聲較大且精度較低。再通過圓周運(yùn)動(dòng)法向加速度公式：

Az=ω2l

經(jīng)過簡(jiǎn)化后公式變?yōu)椋?/p>

以為變量進(jìn)行控制便可實(shí)現(xiàn)較為精準(zhǔn)的控制。

3.3 ?PID算法的分析

本系統(tǒng)采用PID算法對(duì)變量進(jìn)行控制，MPU6050實(shí)時(shí)采集姿態(tài)數(shù)據(jù)，控制器接受到后進(jìn)行計(jì)算并與設(shè)定值進(jìn)行比較。使得風(fēng)機(jī)擺動(dòng)的角度和激光筆劃線的長度逐漸趨近于設(shè)定值。PID控制包括3個(gè)參數(shù)：

比例系數(shù)Kp：對(duì)與設(shè)定值的誤差進(jìn)行比例控制，比例系數(shù)越大，調(diào)節(jié)速度越快，但比例系數(shù)過大會(huì)使系統(tǒng)震蕩較大，影響控制精度。

微分系數(shù)Kd：對(duì)的前后兩次測(cè)量值的相對(duì)誤差進(jìn)行控制，即的變化率。微分可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。但微分系數(shù)無論過大過小都會(huì)使超調(diào)量增大。

積分系數(shù)Ki：對(duì)的累積誤差進(jìn)行控制。積分作用會(huì)消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但積分作用會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以要對(duì)積分作用進(jìn)行簡(jiǎn)單的限幅。

PID控制的輸入e（t）與輸出U（t）的關(guān)系為：

其傳遞函數(shù)為：

3.4 ?電機(jī)的控制

對(duì)電機(jī)采用脈寬調(diào)制（PWM）的控制方式。脈寬調(diào)制是利用控制器的數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的方式。再測(cè)定電機(jī)對(duì)控制量的最大作用量?max，然后根據(jù)?max對(duì)計(jì)算的輸出量進(jìn)行歸一化處理，得到PWM的占空比。

3.5 ?對(duì)擺動(dòng)線性度的控制

由于機(jī)械安裝、外部干擾、風(fēng)力發(fā)散等原因，線性度不可避免地有所偏差。為達(dá)到任務(wù)中線性度的要求，我們通過MPU6050測(cè)得的ωi進(jìn)行簡(jiǎn)單的PD控制。若ωi≠0，則對(duì)控制側(cè)向電機(jī)使其恢復(fù)到平衡位置。

3.6 ?全向擺動(dòng)的控制

風(fēng)力擺的自由擺運(yùn)動(dòng)可以被正交分解為兩個(gè)與電機(jī)方向相同的自由擺運(yùn)動(dòng)。通過對(duì)兩個(gè)方向獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)控制便可實(shí)現(xiàn)風(fēng)力擺在水平面上的全方位運(yùn)動(dòng)。控制兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的相位差β，可以改變運(yùn)動(dòng)的離心率e=sin（β）（e=1為圓，e=0為直線）;控制兩個(gè)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的相對(duì)大小，可以改變運(yùn)動(dòng)的角度;控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的絕對(duì)大小，可以改變運(yùn)動(dòng)的幅度。

4 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 ?系統(tǒng)軟件實(shí)施流程

系統(tǒng)啟動(dòng)后，依次初始化陀螺儀，定時(shí)器，遙控器，配置中斷和引腳模式。然后顯示主界面，提示用戶選擇要執(zhí)行的任務(wù)，本系統(tǒng)采用紅外遙控器輸入各種命令和參數(shù)。遙控器采用NEC編碼方式。由于STM32芯片的定時(shí)器數(shù)量達(dá)到14個(gè)，因此我們可以方便地把每一個(gè)控制任務(wù)分別放入一個(gè)定時(shí)器中斷中，各定時(shí)器中斷服務(wù)程序不會(huì)相互影響，大大降低了程序結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，同時(shí)提高了程序的可靠性。我們?cè)诙〞r(shí)器的中斷服務(wù)函數(shù)中完成對(duì)三軸加速度，角速度的測(cè)量和姿態(tài)的解算，這樣可以方便地控制系統(tǒng)的采樣速率。達(dá)到任務(wù)要求后會(huì)有提示，還可以通過遙控器進(jìn)行必要的參數(shù)輸入，測(cè)量結(jié)束后按返回鍵可回到主界面。程序流程圖如圖4所示。

4.2 ?定幅擺動(dòng)測(cè)試

利用紅外遙控器設(shè)置激光在地面劃線的長度，對(duì)擺線長度、線性度以及所需時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。可以得到以下的測(cè)試結(jié)果，如表1所示。

結(jié)論分析：風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)誤差隨著設(shè)置長度的增加有所增加，所需時(shí)間在8～10 s。

4.3 ?定向擺動(dòng)測(cè)試

利用紅外遙控器設(shè)置風(fēng)力擺的擺動(dòng)角度，對(duì)擺動(dòng)角度的誤差和線性度進(jìn)行測(cè)量，如表2所示。

4.4 ?圓周運(yùn)動(dòng)測(cè)試

設(shè)置風(fēng)力擺所畫圓的半徑，對(duì)擺動(dòng)的最大誤差和旋轉(zhuǎn)3次所需時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，如表3所示。

結(jié)論分析：風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)最大誤差和所需時(shí)間會(huì)隨設(shè)置半徑的增加而增大，但誤差和所需時(shí)間均滿足要求。

5 ?結(jié) ?論

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是直線擺動(dòng)距離控制、直線擺動(dòng)角度控制、圓周擺動(dòng)半徑控制以及具備一定的抗干擾能力。根據(jù)這些要求，主要包括主控模塊、傾角采集模塊、風(fēng)機(jī)控制模塊、人機(jī)交互模塊以及供電電源模塊等，其中在硬件上最關(guān)鍵的是傾角采集和風(fēng)機(jī)控制模塊，在軟件上則是擺動(dòng)控制算法。本系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)合理，各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到要求。系統(tǒng)穩(wěn)定性較好可靠性高、人機(jī)界面清晰友好，功能切換和參數(shù)輸入均能通過紅外遙控器實(shí)現(xiàn)。可通過藍(lán)牙模塊和手機(jī)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能。風(fēng)力擺控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、飛行控制系統(tǒng)、娛樂場(chǎng)所、自動(dòng)控制教學(xué)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：畢濤（1986—），男，漢族，山東煙臺(tái)人，講師，碩士研究生，研究方向：控制工程。