風力擺控制實踐平臺設(shè)計

作者 吳振宇 李勝銘 高元龍 李超 殷殷 大連理工大學 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學院(遼寧 大連 116024)

　　吳振宇(1971-)，男，博士，副教授，研究方向：嵌入式系統(tǒng)、智能控制、機器人等領(lǐng)域。

摘要：本文主要講述利用Coretx-M4單片機控制風力擺運動軌跡的實現(xiàn)方法。系統(tǒng)根據(jù)當前加速度、角速度及圖像信息，利用閉環(huán)控制算法調(diào)節(jié)電機，實現(xiàn)風力擺直線擺動、圓周擺動及定點靜止等功能。系統(tǒng)響應(yīng)速度快，控制精度高，交互操作界面簡單易用，具有良好的交互性。

引言

　　風力擺系統(tǒng)的擺體由風扇構(gòu)成，通過調(diào)整風扇的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)擺動位置及擺動路線的控制，由于擺動機構(gòu)的滯后性，實現(xiàn)精確控制具有一定難度。通過合理的擺結(jié)構(gòu)設(shè)計，并利用擺線理論建模，設(shè)計并優(yōu)化控制策略，利用閉環(huán)結(jié)構(gòu)提升擺的軌跡運動準確性。系統(tǒng)對風擺控制參數(shù)設(shè)定、抗擾因素測試等慣性滯后問題解決具有借鑒意義，同時也為分析該類問題建立了直觀的測試平臺。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)硬件部分主要由電源模塊、MCU模塊、姿態(tài)采集模塊、電機驅(qū)動模塊、風力擺機械部分等組成。機械部分為萬向節(jié)懸掛65cm硬質(zhì)桿，底端連接4個風機構(gòu)成風機組，中心固定姿態(tài)采集模塊。MCU使用I2C協(xié)議采集姿態(tài)模塊的數(shù)據(jù)，MCU根據(jù)設(shè)定值利用PID控制理論，通過控制PWM占空比來控制 4個風機的轉(zhuǎn)速和方向，實現(xiàn)對風力擺的控制，整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 電源模塊

　　7.2V /2000mAh鎳鎘電池為MCU模塊、傳感器模塊和顯示模塊供電。

　　學生電源輸出6V穩(wěn)壓，為四路電機驅(qū)動供電。

1.2 MCU模塊

　　MCU模塊是核心部分，負責數(shù)據(jù)處理。有以下功能：

　　負責讀取風擺角度數(shù)據(jù)，將加速度、角速度信息進行互補濾波和四元數(shù)轉(zhuǎn)化，計算當前風力擺角度信息;

　　負責讀取攝像頭圖像信息，對數(shù)據(jù)進行去噪點化處理后提取標志物邊緣，計算得出標志物中心點位置;

　　負責控制電機驅(qū)動模塊，利用PID閉環(huán)控制算法調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速和方向，實現(xiàn)對風力擺運動軌跡的控制。

1.3 姿態(tài)采集模塊

　　姿態(tài)采集模塊是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，本系統(tǒng)采用整合性六軸陀螺儀加速度計芯片，負責檢測風力擺的加速度角速度信息^[1]。

1.4 電機驅(qū)動模塊

　　電機驅(qū)動模塊為雙BTN7960組成的H橋電機驅(qū)動，根據(jù)MCU控制器輸出的PWM信號和方向信息，控制空心杯電機的轉(zhuǎn)速和方向。

1.5 攝像頭模塊

　　攝像頭模塊是系統(tǒng)的特殊功能部分，為實現(xiàn)擺頭跟隨目標物而設(shè)計。攝像頭采集圖像，并對目標物進行識別，進而實現(xiàn)對目標物的跟隨。

2 系統(tǒng)理論分析與計算

2.1 風力擺狀態(tài)的測量與計算

　　采用高精度的加速計和陀螺儀MPU6050，不斷采集風力擺姿態(tài)數(shù)據(jù)。MPU6050對陀螺儀和加速度計分別用了三個16位的ADC，將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量，通過DMP處理器讀取測量數(shù)據(jù)，然后通過I2C總線輸出，得到風擺的姿態(tài)角度。

2.2 風力擺控制分析

　　風力擺通過4只空心杯電機提供驅(qū)動推力，姿態(tài)采集模塊采集風力擺當前姿態(tài)角，單片機處理姿態(tài)角，調(diào)節(jié)4個電機PWM的比例，從而控制下一時刻風機工作狀態(tài)，實現(xiàn)對于風力擺的控制^[3]。

　　在自由單擺模型中，單擺做簡諧運動的周期跟擺長的平方根成正比，跟重力加速度的平方根成反比，跟振幅、擺球的質(zhì)量無關(guān)^[6]。

(1)

　　風擺擺長確定后，周期也就確定，如圖2所示，根據(jù)自由單擺簡諧運動的特性，利用三角函數(shù)關(guān)系^[4~5]，風擺跟隨自然周期做出單擺的運動，加上X、Y方向，兩個方向運動相位差90度，如圖3所示，風擺就能做出圓周運動。

　　在處理風力擺模型時，可認為是控制每一時刻風力擺的姿態(tài)角，從而控制類自由擺運動和圓周運動。當物體離開垂直的平衡位置之后，便會受到重力與懸線的作用合力，驅(qū)動重物回復平衡位置。這個力稱之為回復力，公式為。

　　2.3 控制算法的分析

　　本系統(tǒng)采用PID算法來控制風機轉(zhuǎn)動的速度^[2]。風機開始工作后，姿態(tài)采集模塊不斷采集當前風力擺姿態(tài)角狀態(tài)，并與之前的狀態(tài)比較，使得風力擺的運動狀態(tài)逐漸趨向于平穩(wěn)。PID算法控制器由角度比例P、角度誤差積分I和角度微分D組成。

　　其輸入e(t)與輸出U(t)的關(guān)系為：

　(2)

　　它的傳遞函數(shù)為：

(3)

3 電路與程序設(shè)計

3.1 電路設(shè)計

　　3.1.1 電源

　　7.2V蓄電池電源經(jīng)LT1529-5穩(wěn)壓得到5V電源，再經(jīng)過兩片LT1085電源芯片穩(wěn)壓得到兩路3.3V電源，一路單獨供電MCU，一路供電其它外設(shè)。主控板電源原理如圖4所示。