风力摆系统
摘 要
风力摆系统是一种利用风力对物体进行位置控制的设备，在我国虽然还没有成品的销售与应用，但这种控制理论已经应用于方方面面。目前的普遍问题风力摆系统的自动控制水平不高。
本设计将设计一款智能的风力摆控制系统。主要控制程序由STM32来实现。通过三轴陀螺仪进行角度采集，采集过来的角度值在进行卡尔曼滤波处理，最后将其应用到风力摆系统的控制程序中。主要实现对风力摆进行偏角的收集和计算、控制其运动轨迹，包括其角加速度的控制。风力摆所控制的系统会对各传感器测得的数据进行处理和计算，使对应的设备器件得到有效的、良好的控制，从而使得系统能安全有效地运行。
本设计主控制器利用STM32作为开发硬件系统。它能够对系统进行良好的操控，包括控制与监测风力摆的运动状态、角度值、加速度和平衡参数。轴部是通过万向节连接的，整体运动自如是通过它来实现。系统整体架构清晰，便于操控。
关键词:风力摆;STM32;陀螺仪;卡尔曼滤波
Abstract
Windpendulumsystemisakindofmicrocontrolequipment,thoughnotyetfinishedproductsalesandapplicationinourcountry,butthiskindofcontroltheoryhasbeenusedineveryaspect.Atpresentthecommonproblemsofwindpowersystemautomaticcontrollevelisnothigh.Thisdesignwilldesignaintelligentwindpendulumcontrolsystem.Themaincontrolprogramimplementedbythestm32.AcquisitionthroughthetriaxialgyroAngle,theAngleofthecollectedvaluesinthekalmanfilterprocessing,theAnglevalueshavebeenobtainedthroughcomparingtheAnglevaluesbeforeandafterjudgmentaftertheoscillationamplitude,windpendulumswingwillneedthesizeoftheforceisconvertedintoPWMvalue,thenoutputtothemotordrive,ofcourse,whenthemotortodrivetheoutputtoneedtoaddtheprotectionlightcouplingforphotoelectricisolation.Controlsystemtoprocessthedataofeachsensormeasurementandcalculation,thecorrespondingequipmentdeviceeffectively,goodcontrol,thesystemcanrunsafelyandeffectively.ThisdesignusesSTM32asmaincontrollerhardwaresystemdevelopment.Itcancarryonthegoodcontrolofthesystem,includingthecontrolandmonitoringwindpendulummotionstate,Angle,acceleration,andbalanceparameters.Axisisthroughuniversaljointconnection,andtheoverallfreelyistoachievethroughit.Overallsystemstructureclear,easytocontrol.Keywords:STM32,microwindpendulumcontrollightcouplinggyroscope
风力摆控制系统
本系统采用STC12C5A60S2为主控芯片，通过MPU6050传感器提供反馈信息、采用PID控制算法调整轴流风机的状态、在液晶和按键的人机交互作用下显示并切换工作模式，形成一闭环测控系统。该测控系统通过控制驱动各风机，使风力摆按照一定规律运动，同时保证摆杆下方悬挂的激光笔能在地面画出要求的轨迹。
一、方案论证
1.1 控制器模块方案。
控制器是整个控制系统的核心，承载着执行控制算法，实现控制功能的作用。因此，要保证系统整体的控制质量，控制器的选择非常重要！在控制器的选择方案中，主要进行了如下對比：
方案一：选择常见且应用广泛的AT89C52作为控制芯片。对于这种单片机，我们有良好的知识基础，上手快，成本低。然而对于本控制系统，程序量较大、所需I/O口较多，89单片机将很难满足控制要求，难以胜任控制任务。因此，89单片机并不适合作为本系统的控制器。
方案二：较之89系列单片机，STC12单片机资源丰富，集成EEPROM、AD、 PCA可编程计数阵列等；其功能更强大，执行速度更快。对于本系统来说，足以完成控制任务。故而作为本控制系统的首选。
2.2位置检测模块。
检测模块不仅是获得被控系统所需信息的唯一渠道，而且从根本上决定了被控系统的控制精度，相当于控制系统中的“眼睛”；因此检测模块的设计对整个控制系统的设计至关重要！基于此，在选择检测元件时，主要做了如下对比：
方案一：选择整合性6轴运动处理组件MPU6050，利用其自身集成的3轴MEMS陀螺仪，3轴 MEMS加速度计精确地对被控对象的运动状态进行数据采集；在数据处理上采用卡尔曼滤波算法，测量精度极高。另外，该传感器封装小节省空间，对本系统的控制十分有利。
方案二：选择角度、加速度模块 MMA7361传感器。这一模块虽有压降小，适合高噪声电源环境工作等特点，但其测量精度及测量范围等各方面性能不及MPU6050。综合考虑，选取MMA7361作为检测变送传感器并不明智。
大学生电子设计竞赛
风力摆控制系统
学院: 计算机学院
项目：风力摆控制系统
负责人：王贤朝
指导老师：张保定
时间： 2017年5月20日
摘要
本系统采用K60开发板作为控制中心，与万向节、摆杆、直流风机（无刷电机+扇叶）、激光头、反馈装置一起构成摆杆运动状态与风机速度分配的双闭环调速系统。单片机输出可变的PWM波给电机调速器，控制4个方向上风机的风速，从而产生大小不同的力。利用加速度计模块MPU6050，准确测出摆杆移动的位置与中心点位置之间的关系，采样后反馈给单片机，使风机及时矫正，防止脱离运动轨迹。使用指南针模块判别方向，控制系统向指定方向偏移。控制方式采用PID算法，比例环节进行快速响应，积分环节实现无静差，微分环节减小超调，加快动态响应。从而使该系统具有良好的性能，能很好地实现自由摆运动、快速制动静止、画圆、指定方向偏移，具有很好地稳定性。
关键词：K60、空心杯电机、MPU6050、PID、无线蓝牙
目录
一、系统方案..............................................
1.1 系统基本方案......................................
1.1.1 控制方案设计................................
1.1.2 机械结构方案设计............................
1.2 各部分方案选择与论证............................. 1
1.2.1电机选择.................................... 1
1.2.2 电机驱动的选择..............................
1.2.3 摆杆与横杆的连接选择........................
1.2.4 摆杆与风机的连接选择....................... 2
风力摆运动控制系统设计
张国军;李绍明;闫孝姮;李威;朱正印
【摘 要】系统以32位的MK60 DN256 ZVLL10单片机为核心,通过运动处理传感器MPU6050测量风力摆在三维空间的位置,控制安装在摆杆底端的4个轴流风机使得风力摆运动.在风力摆正下端置一激光笔,根据MPU6050的反馈数值及三角函数运算,运用两个独立PID算法,控制风力摆做直线或圆周运动,且在圆周运动时使风力摆受到50～60W台扇在水平方向吹风的干扰后,可以5s内恢复运动轨迹.实验数据表明:风力摆能够在15 s内,完成设定的直线运动,轨迹误差小于±0.5 cm;能够在20 s完成设定半径的圆周运动,轨迹能够在设定半径±2.5 cm的圆环内.
【期刊名称】《传感器与微系统》
【年(卷),期】2016(035)012
【总页数】4页(P106-109)
【关键词】轴流风机;MPU6050;运动控制
【作 者】张国军;李绍明;闫孝姮;李威;朱正印
【作者单位】辽宁工程技术大学电气与控制工程学院,辽宁葫芦岛125105;辽宁工程技术大学电气与控制工程学院,辽宁葫芦岛125105;辽宁工程技术大学电气与控制工程学院,辽宁葫芦岛125105;辽宁工程技术大学电气与控制工程学院,辽宁葫芦岛125105;辽宁工程技术大学电气与控制工程学院,辽宁葫芦岛125105
【正文语种】中 文
【中图分类】TP272 全国大学生电子设计竞赛的竞赛规模日益扩大，2015年全国共有1 097所高校、13 063支队伍、39 189名学生报名参加此次赛事，在规模上堪称历届之最。其中控制类题目倍受青睐，占选题总数的1/3[1]。近年来，大赛引领控制目标从二维向三维空间过渡，B题风力摆控制系统应运而生[2]。
本文研究的风力运动摆控制系统不仅达到了赛题的各项要求，同时可作为一个典型的实验对象，为理论教学和课外实践搭建了良好的操作平台[3,4]。系统以32位单片机MK60DN256ZVLL10为控制核心，通过MPU6050运动处理传感器对风力摆位置信息的判断，辅以矩阵键盘、液晶显示屏、激光笔以及轴流风机等电路，实现了风力摆运动控制系统。
