風(fēng)力擺自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及測試

孫　湉，張　剛，鄧彬偉，胡　瑤，劉合鑫

(湖北理工學(xué)院 電氣與電子信息工程學(xué)院,湖北 黃石 435003)

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風(fēng)力擺自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及測試

孫湉，張剛，鄧彬偉*，胡瑤，劉合鑫

(湖北理工學(xué)院 電氣與電子信息工程學(xué)院,湖北 黃石 435003)

摘要：以32位STM32F103ZET6單片機(jī)為核心，給出了風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。系統(tǒng)由風(fēng)力擺、MOS管全橋驅(qū)動(dòng)、三維角度傳感器和TFT彩屏等構(gòu)成。為獲取實(shí)測數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了測試方案，完成了不同條件下的測試。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在僅受直流風(fēng)機(jī)動(dòng)力控制下實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力擺快速起擺、畫線、限時(shí)制動(dòng)和準(zhǔn)確畫圓，以及風(fēng)力影響后能夠快速恢復(fù)畫圓狀態(tài)等功能，達(dá)到或超過了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。系統(tǒng)具有人機(jī)交互友好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、誤差小的特點(diǎn)。該系統(tǒng)為四軸飛行器系統(tǒng)測試方案的確定、測試參數(shù)的選用、測試數(shù)據(jù)的分析等提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：STM32F103ZET6；三維角度傳感器；MOS管全橋驅(qū)動(dòng)；空心杯電機(jī)

四軸飛行器可廣泛應(yīng)用于軍民各領(lǐng)域，具有造價(jià)低廉、操作簡便、維護(hù)簡單、可重復(fù)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。大量科技工作者從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、飛行控制等方面總結(jié)了四軸飛行器的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展技術(shù)路線，分析了四軸飛行器的基本原理與結(jié)構(gòu)，探討了其相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域，展望了四軸飛行器未來的發(fā)展方向和應(yīng)用前景[1-2]。

隨著單片機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，對(duì)四軸飛行器的研究也越來越多，各種設(shè)計(jì)方案各有特點(diǎn)，應(yīng)用范圍也各有不同。這些研究，以四軸飛行器飛行原理為基礎(chǔ)，給出了自主飛行控制系統(tǒng)不同的整體結(jié)構(gòu)，針對(duì)姿態(tài)信息的不同獲取方法，選用不同類型的單片機(jī)并采用不同的控制算法，完成了四軸飛行器的軟、硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試，建立了各自相應(yīng)的飛行平臺(tái)[3-6]。

風(fēng)力擺自動(dòng)控制是進(jìn)行無人機(jī)設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)，對(duì)其的深入分析和研究，可為四軸飛行器系統(tǒng)測試方案的確定、測試參數(shù)的選用、測試數(shù)據(jù)的分析等提供借鑒。

本設(shè)計(jì)以32位STM32F103ZET6單片機(jī)為核心，分析了風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的基本原理并給出了實(shí)現(xiàn)方案。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由MOS管全橋驅(qū)動(dòng)、風(fēng)力擺、三維角度信息采集、液晶顯示器和電源等模塊構(gòu)成。風(fēng)力擺通過萬向節(jié)與碳素桿連接風(fēng)機(jī)組成。三維角度傳感器不斷采集風(fēng)力擺當(dāng)前角度信息，反饋給單片機(jī)并顯示在TFT彩屏上，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后通過控制PWM波占空比控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力擺的控制。

1.2設(shè)計(jì)方案論證

1.2.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

通過分析比較，MOS管全橋驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的壓降一般比較低，在驅(qū)動(dòng)電路上的功耗較低，能夠很好地滿足驅(qū)動(dòng)需求，操作方便，因此是一種合適的選擇。

自制的IR7843MOS管全橋驅(qū)動(dòng)電路主要包括驅(qū)動(dòng)電路和邏輯控制電路兩大部分。驅(qū)動(dòng)電路采用5 V輸入電源，經(jīng)該驅(qū)動(dòng)電路可增大輸出的上限電流，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。

1.2.2風(fēng)力擺

系統(tǒng)采用4只空心杯直流電機(jī)作驅(qū)動(dòng)，其體積小、功率大、抗干擾能力強(qiáng)，可以產(chǎn)生較大的風(fēng)力，足以將飛行器提升至所需要的高度。

1.2.3角度信息采集模塊

三維角度傳感器MPU6050集成了3軸MEMS陀螺儀、3軸MEMS加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP。MPU6050和所有設(shè)備寄存器之間的通信采用400 kHz的I2C接口，實(shí)現(xiàn)高速通信。其內(nèi)置可編程卡爾曼濾波器，采用最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法精確測量風(fēng)力擺當(dāng)前姿態(tài)角。MPU6050對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別用了3個(gè)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)然后通過串口輸出。

采用三維角度傳感器MPU6050,可適時(shí)測量風(fēng)力擺當(dāng)前角度，通過處理采集的角度數(shù)據(jù)控制風(fēng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)。此方案可精確測量風(fēng)力擺當(dāng)前角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力擺的精確控制。

1.2.4液晶顯示器模塊

選用TFT-LCD真彩液晶顯示器，其屏幕大、可顯示較多內(nèi)容，同時(shí)具有較高分辨率，自帶觸摸屏，具備高智能性，便于測試操作。

1.2.5電源

若要求電路連接比較簡單，則整個(gè)系統(tǒng)都采用同一電源電路。由于空心杯電機(jī)啟動(dòng)瞬間需求電流較大，給定脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)的電機(jī)電流也有較大波動(dòng)，會(huì)造成干擾，對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的干擾，缺點(diǎn)明顯，故不宜采用同一電源電路。

本設(shè)計(jì)采用雙電源供電，可完全隔離電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源(5 V)和單片機(jī)的供電電源(3.3 V)，能徹底消除電機(jī)驅(qū)動(dòng)所造成的干擾，降低主控制板的負(fù)載，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2理論分析和計(jì)算

2.1風(fēng)力擺狀態(tài)的測量與計(jì)算

應(yīng)用集成的三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)獲取姿態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)飛行器定向、定點(diǎn)、定高的飛行控制，具有較好的應(yīng)用前景[5]。

風(fēng)力擺狀態(tài)信息是最基本、最重要的控制信息，采用三維角度傳感器MPU6050獲得角度信息。設(shè)α與β分別為當(dāng)前角度值與上一次計(jì)算出的角度值，其單位為度(°)，Gyro為陀螺儀敏感軸偏轉(zhuǎn)值，也就是當(dāng)前敏感軸讀數(shù)，C_Gyro為前一次陀螺儀敏感軸偏轉(zhuǎn)值，R_Gyro為陀螺儀當(dāng)前軸向加速度，測量陀螺儀角度計(jì)算方法為：

α=β+(Gyro-C_Gyro)R_Gyro

(1)

2.2風(fēng)力擺運(yùn)動(dòng)控制分析與計(jì)算

可選用的控制算法主要有邏輯判斷法、查表法、定點(diǎn)PID法、力合成法、矢量方程法等。風(fēng)力擺采用姿態(tài)角位置PID控制算法，可有效提升控制系統(tǒng)魯棒性，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制可靠、響應(yīng)快速無靜差和較小超調(diào)量等優(yōu)良性能[6]。本設(shè)計(jì)采用位置式PID控制方式。

位置式PID控制方式由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成。設(shè)Kp、TI、TD分別為比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)，則PID控制器輸入e(t)與輸出u (t)關(guān)系及傳遞函數(shù)分別為:

(2)

(3)

式(2)中e(t)為PID控制量的相鄰2次采樣偏差，對(duì)于上述PID系數(shù)的整定方案，一般步驟如下。

1)確定比例系數(shù)Kp：調(diào)整比例系數(shù)Kp時(shí)，一般令Tr=0，TD=0，使其變?yōu)榧儽壤{(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許最大值的60%～70%，由0開始逐步增加，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。從此時(shí)開始減小Kp，直至系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，記錄當(dāng)前比例系數(shù)Kp，設(shè)定比例系數(shù)為當(dāng)前值的60%～70%，本設(shè)計(jì)取為61%。

2)確定積分時(shí)間常數(shù)Tr：確定比例系數(shù)Kp之后，將其加入到系統(tǒng)中，此時(shí)設(shè)定一個(gè)較大的Tr值，然后逐步減小Tr，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后逐步增大Tr值，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時(shí)Tr值，設(shè)定Tr值為當(dāng)前調(diào)試值的150%～180%，本設(shè)計(jì)取為165%。

3)確定微分時(shí)間常數(shù)TD：微分時(shí)間常數(shù)一般為0即可，但在精密控制時(shí)仍然需要設(shè)定，整定方法與Kp、Tr類似，一般取系統(tǒng)不振蕩的30%即可，本設(shè)計(jì)取為30%。

3程序設(shè)計(jì)

主程序框圖如圖1所示，系統(tǒng)中斷流程圖如圖2所示。利用有干擾畫圓，主要針對(duì)式(2)進(jìn)行PID調(diào)試，以期達(dá)到控制器的準(zhǔn)確定位性和快速跟蹤性能要求。

圖1　主程序框圖

圖2　系統(tǒng)中斷流程圖

4測試方案與測試結(jié)果

4.1系統(tǒng)測試方案

為保證測試結(jié)果的合理性和完整性，系統(tǒng)性能測試分為無干擾和有干擾2種情況下的直線運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)測試，直線測試又分為同角度與不同角度測試。無干擾測試主要檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確定位性能，有干擾測試主要檢測系統(tǒng)的快速跟蹤性能。

4.2系統(tǒng)測試

4.2.1長直線測試

驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺工作，使隨機(jī)攜帶的激光筆穩(wěn)定地在地面畫出一條長度不短于50 cm的直線段，共測試5次，記錄其穩(wěn)定時(shí)間和最大線性偏差。測試數(shù)據(jù)如表1所示。測試結(jié)果表明，平均穩(wěn)定時(shí)間和線性度偏差較小，性能遠(yuǎn)超“線性度偏差不大于±2.5 cm”的一般要求。

表1　風(fēng)力擺畫長于50 cm直線測試

4.2.2同角度不同長度直線測試

設(shè)置風(fēng)力擺畫線長度，驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺工作，記錄其由靜止至開始自由擺時(shí)間及在畫不同長度直線時(shí)的最大偏差距離。測試數(shù)據(jù)如表2所示。測試結(jié)果表明，平均穩(wěn)定時(shí)間和最大長度偏差較小，完美達(dá)到“15 s內(nèi)、長度偏差不大于±2.5 cm”的設(shè)計(jì)要求。

表2　風(fēng)力擺畫不同長度直線測試

4.2.3不同角度同長度直線測試

設(shè)置風(fēng)力擺自由擺的角度，驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺工作，記錄其由靜止至開始自由擺時(shí)間及在畫不同角度直線時(shí)的最大偏差距離。測試數(shù)據(jù)如表3所示。測試結(jié)果表明，平均穩(wěn)定時(shí)間為10.3 s，平均所畫直線長度為21.30 cm，性能超過“15 s內(nèi)、直線段長度不短于20 cm”的設(shè)計(jì)要求。

表3　風(fēng)力擺畫不同角度直線測試

4.2.4不同角度制動(dòng)時(shí)長測試

將風(fēng)力擺拉起一定角度放開，驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺工作，測試風(fēng)力擺制動(dòng)達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)所用時(shí)間。測試數(shù)據(jù)如表4所示。測試結(jié)果表明，拉起不同角度時(shí)，回原點(diǎn)所需時(shí)間短，性能超過“5 s內(nèi)恢復(fù)靜止?fàn)顟B(tài)”的設(shè)計(jì)要求。

表4 風(fēng)力擺恢復(fù)靜止所用時(shí)間s

測試次數(shù)拉起角度/°30405060測試12.73.24.34.6測試222.53.63.8測試3333.94.2測試42.53.54.04.4測試5333.64.7平均時(shí)間2.643.043.884.34

4.2.5無干擾畫圓測試

以風(fēng)力擺靜止時(shí)激光筆的光點(diǎn)為圓心，設(shè)置風(fēng)力擺畫圓半徑，驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺用激光筆在地面畫圓，記錄其畫3次圓所用時(shí)間以及最大偏差距離，半徑不變重復(fù)測試3次。改變圓半徑再次測試，重復(fù)以上操作，共進(jìn)行5種不同半徑的測試。測試數(shù)據(jù)如表5所示。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)畫圓時(shí)間較短、準(zhǔn)確，滿足“運(yùn)動(dòng)軌跡落在指定半徑±2.5 cm”的設(shè)計(jì)要求。

4.2.6有干擾畫圓測試

在畫圓測試的基礎(chǔ)上，使用一臺(tái)60 W臺(tái)扇在距離風(fēng)力擺1m距離處向其吹5 s后靜止，記錄風(fēng)力擺回復(fù)畫圓狀態(tài)時(shí)間。測試結(jié)果如表5所示。由表5可見,該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，畫圓抗干擾能力強(qiáng)，達(dá)到“5 s內(nèi)恢復(fù)指定半徑±2.5 cm的圓周運(yùn)動(dòng)”的預(yù)期要求。

表5　風(fēng)力擺畫圓測試

4.3測試結(jié)果分析

測試數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)在僅受直流風(fēng)機(jī)動(dòng)力控制下實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力擺快速起擺、畫線、限時(shí)制動(dòng)和準(zhǔn)確畫圓，以及風(fēng)力影響后能夠快速恢復(fù)畫圓狀態(tài)等功能，達(dá)到或超過了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，具有人機(jī)交互友好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、誤差小的特點(diǎn)。該系統(tǒng)為四軸飛行器系統(tǒng)測試方案的確定、測試參數(shù)的選用、測試數(shù)據(jù)的分析等方面提供了借鑒基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]方璇,鐘伯成.四旋翼飛行器的研究與應(yīng)用[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2015,29(2):113-118.

[2]聶博文,馬宏緒,王劍,等.微小型四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].電光與控制,2007,14(6):113-117.

[3]彭塵雨.四旋翼無人機(jī)自主飛行控制的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2014,16:73.

[4]郝蕓,楊奇,佟皓萌.基于STM32的四軸飛行器設(shè)計(jì)[J].電子測試,2015(18):6-8.

[5]姜山,祝麗.小型四軸飛行器控制器設(shè)計(jì)的研究[J].電子世界,2014(22):260-261.

[6]易先軍，周敏，謝亞奇.四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].2014,36(11):59-62.

(責(zé)任編輯吳鴻霞)

收稿日期：2015-12-04

基金項(xiàng)目:湖北理工學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：14cx04)；2014地方高校國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：201410920027)。

作者簡介：孫湉，助教，本科。

*通訊作者：鄧彬偉，副教授，博士，研究方向：嵌入式系統(tǒng)、無線通信。

doi:10.3969/j.issn.2095-4565.2016.03.002

中圖分類號(hào)：TP24

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-4565(2016)03-0005-05

Design and Test of Wind Pendulum Automatic Control System

Sun Tian，Zhang Gang，Deng Binwei*，Hu Yao，Liu Hexin

(School of Electrical and Electronic Information Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

Abstract：Taking 32-bit STM32f103ZET6 microcontroller as the core,the implementation scheme of the wind swing control system is given.The whole system is made up of MOS tube full bridge driver,3D angle sensor and a TFT color display.To achieve measured data,the test scheme is designed and the tests under different conditions have been done.The test results show that when only controlled by DC Blower power,this system can realize fast swing,line drawing,limited-time brake,accurate circle drawing and the function that circle-drawing state restores quickly under the effect of wind,which meets or surpasses the design requirements and realizes suspension function at arbitrary positions.The system has such characteristics as friendly human-computer interaction,stable structure and small errors.Furthermore,it provides the reference for the scheme decision,parameter selection,analysis of test data of the axis aircraft system design.

Key words：STM32F103ZET6;3D angle sensor;MOS tube full bridge drive;hollow cup motor