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風(fēng)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 時間:2017-03-29 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
編者按:本文主要講述利用Coretx-M4單片機(jī)控制風(fēng)力擺運動軌跡的實現(xiàn)方法。系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)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(jī),實現(xiàn)風(fēng)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。

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

本文引用地址:http://2s4d.com/article/201703/345946.htm

  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(jī)器人等領(lǐng)域。

摘要:本文主要講述利用Coretx-M4單片機(jī)控制運動軌跡的實現(xiàn)方法。系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)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(jī),實現(xiàn)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

  系統(tǒng)的擺體由風(fēng)扇構(gòu)成,通過調(diào)整風(fēng)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(jī)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(zhǔn)確性。系統(tǒng)對風(fēng)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(jī)驅(qū)動模塊、風(fēng)力擺機(jī)械部分等組成。機(jī)械部分為萬向節(jié)懸掛65cm硬質(zhì)桿,底端連接4個風(fēng)機(jī)構(gòu)成風(fēng)機(jī)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)定值利用理論,通過控制PWM占空比來控制 4個風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向,實現(xiàn)對風(fēng)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(xué)生電源輸出6V穩(wěn)壓,為四路電機(jī)驅(qū)動供電。

1.2 MCU模塊

  MCU模塊是核心部分,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理。有以下功能:

  負(fù)責(zé)讀取風(fēng)擺角度數(shù)據(jù),將加速度、角速度信息進(jìn)行互補濾波和四元數(shù)轉(zhuǎn)化,計算當(dāng)前風(fēng)力擺角度信息;

  負(fù)責(zé)讀取攝像頭圖像信息,對數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪點化處理后提取標(biāo)志物邊緣,計算得出標(biāo)志物中心點位置;

  負(fù)責(zé)控制電機(jī)驅(qū)動模塊,利用PID閉環(huán)控制算法調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向,實現(xiàn)對風(fēng)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(fù)責(zé)檢測風(fēng)力擺的加速度角速度信息[1]。

1.4 電機(jī)驅(qū)動模塊

  電機(jī)驅(qū)動模塊為雙BTN7960組成的H橋電機(jī)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(jī)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(biāo)物而設(shè)計。攝像頭采集圖像,并對目標(biāo)物進(jìn)行識別,進(jìn)而實現(xiàn)對目標(biāo)物的跟隨。

2 系統(tǒng)理論分析與計算

2.1 風(fēng)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(fēng)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(fēng)擺的姿態(tài)角度。

2.2 風(fēng)力擺控制分析

  風(fēng)力擺通過4只空心杯電機(jī)提供驅(qū)動推力,姿態(tài)采集模塊采集風(fēng)力擺當(dāng)前姿態(tài)角,單片機(jī)處理姿態(tài)角,調(diào)節(jié)4個電機(jī)PWM的比例,從而控制下一時刻風(fēng)機(jī)工作狀態(tài),實現(xiàn)對于風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)擺就能做出圓周運動。

  在處理風(fēng)力擺模型時,可認(rèn)為是控制每一時刻風(fēng)力擺的姿態(tài)角,從而控制類自由擺運動和圓周運動。當(dāng)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(fù)平衡位置。這個力稱之為回復(fù)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(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動的速度[2]。風(fēng)機(jī)開始工作后,姿態(tài)采集模塊不斷采集當(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。



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