古煒豪

摘要：文章給出了一個(gè)基于風(fēng)力擺的激光定位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建，該閉環(huán)控制系統(tǒng)以STM32型單片機(jī)為控制核心，在平板上放置MPU6050傳感器、軸流風(fēng)機(jī)為機(jī)械結(jié)構(gòu)，并以LCD顯示屏與按鍵等模塊組成人機(jī)交互系統(tǒng)。在平板下方固定一激光筆，根據(jù)平板運(yùn)動(dòng)的角度、加速度、以及擺桿的長(zhǎng)度之間的幾何函數(shù)關(guān)系，利用PID單環(huán)控制算法，達(dá)到控制激光定位的效果。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力擺 MPU6050 STM32 激光定位

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）05-0000-00

現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)和自動(dòng)控制理論的飛速發(fā)展，能夠使得人們?cè)O(shè)計(jì)高精度的控制系統(tǒng)，基于擺類的激光定位控制系統(tǒng)就是這些技術(shù)和理論的應(yīng)用實(shí)例之一。[1]基于擺類的平板控制系統(tǒng)是為自動(dòng)控制原理等基礎(chǔ)控制課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，它是控制領(lǐng)域的一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)對(duì)象。[2]可見研究該系統(tǒng)能為自動(dòng)控制理論的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和科研構(gòu)建良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

該系統(tǒng)利用風(fēng)力擺實(shí)現(xiàn)對(duì)激光畫線的控制，控制激光畫出任意規(guī)定角度且任意長(zhǎng)度的直線；停止時(shí)能在 5 s內(nèi)制動(dòng)；切換模式能畫出任意規(guī)定半徑的圓。

1 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用PID單環(huán)算法控制。系統(tǒng)主要由檢測(cè)單元、STM32單片機(jī)、風(fēng)力擺、人機(jī)交互界單元組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

風(fēng)力擺采用3只直流風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)。三只風(fēng)機(jī)為等邊三角形三邊，相背而立，互成 120°夾角。相對(duì)采用兩只風(fēng)機(jī)動(dòng)力較大，且與四只風(fēng)機(jī)相比質(zhì)量適中，不易損壞，但較難控制。

檢測(cè)單元采用高精度的陀螺加速度計(jì) MPU6050 不斷采集風(fēng)力擺姿態(tài)角數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)理論分析與運(yùn)算

本控制系統(tǒng)純?yōu)檩S流風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。利用軸流風(fēng)機(jī)在不同電壓下風(fēng)力的特性。MPU6050采集風(fēng)力擺當(dāng)前的姿態(tài)角，STM32處理姿態(tài)角信息調(diào)節(jié)對(duì)風(fēng)機(jī)輸出PWM波，控制四只風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整體風(fēng)力擺的控制。

2.1 風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)控制分析

本系統(tǒng)采用 PID 算法來(lái)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。風(fēng)機(jī)開始工作后，MPU6050不斷采集當(dāng)前風(fēng)力擺姿態(tài)角狀態(tài)，并與之前的狀態(tài)比較，使得風(fēng)力擺的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)逐漸趨向于平穩(wěn)。PID 算法控制器由風(fēng)力擺轉(zhuǎn)動(dòng)角度比例 P、角度誤差積分 I和角度微分 D 組成。

2.2 電路設(shè)計(jì)及其分析

根據(jù)軸流風(fēng)機(jī)特性，系統(tǒng)采用采用雙LN298。有效解決電流過大問題。電路如圖2。

3 測(cè)試與結(jié)果分析

3.1 測(cè)量?jī)x器

（1）秒表；（2）量角器；（3）檢測(cè)圖紙。如圖3所示。

3.2 測(cè)試方案及結(jié)果

完美實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目要求，畫圓效果佳。

誤差分析：在測(cè)量長(zhǎng)度和角度的測(cè)量過程中，由于工具的不精確和人為失誤會(huì)造成一定誤差；實(shí)驗(yàn)數(shù)量不足夠?qū)е乱欢ㄕ`差；機(jī)械構(gòu)造的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致意外搖晃產(chǎn)生誤差；受外界風(fēng)力和摩擦力的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

采用PID算法在控制風(fēng)力擺有顯著效果，閉環(huán)控制能過使擺類的線性誤差和時(shí)間誤差都接近理想值。

畫50cm定長(zhǎng)測(cè)驗(yàn)中最大誤差值不超過0.5cm，控制角度的誤差也能達(dá)到3°范圍以內(nèi)，制動(dòng)時(shí)能在5s內(nèi)靜止，能畫出20～60cm規(guī)定直徑的圓?；緦?shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)要求。

系統(tǒng)榮獲2015全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽一等獎(jiǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]王博，郝文昌，王志超等.自由擺平板控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2012（8）：43-46.

WANG B， HAO W CH， WANG ZH CH， et al. Analy-sis and design of a free pendulumflat-panel control sys-tem[J].Electronic Technology，2012（8）：43-46.

[2]李真，張玉兵，韓晶晶 等.基于自由擺的平板控制系統(tǒng)[J].傳感器世界，2012（1）：13-16.

LI ZH， ZHANG Y B， HAN J J， et al. Panel controlsystem based on the free pendulum[J].Sensor World，2012（1）：13-16.