一种基于STM32的风力摆控制系统设计.docx

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一种基于STM32的风力摆控制系统设计

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毕涛葛宝川刘迪杨莉莉

摘?要：本系统以STM32为核心控制芯片，由姿态采集模块、风力摆模块、人机交互模块及机械结构组成闭环控制系统。姿态采集模块采用六轴加速度陀螺仪MPU6050，采集姿态数据后通过内部集成的DMP处理单元进行姿态角的解算。STM32根据解算得到的角度计算风力摆的状态，通过调节各状态量PID参数实现对风力摆摆动幅度和线性度的控制，将输出量和输入量进行线性分解，控制风力摆完成按指定轨迹运动。本系统受到外部干扰后能快速恢复到指定状态。

关键词：风力摆;STM32;MPU6050;PID

：TP273??：A：2096-4706（2021）14-0068-04

Abstract：ThissystemtakesSTM32asthecorecontrolchip，andconsistsofattitudeacquisitionmodule，windpendulummodule，human-computerinteractionmoduleandmechanicalstructure，formingaclosed-loopcontrolsystem.SixaxisaccelerationgyroscopeMPU6050isusedintheattitudeacquisitionmodule.Aftercollectingtheattitudedata，theattitudeangleiscalculatedthroughtheinternalintegratedDMPprocessingunit.STM32calculatesthestateofthewindpendulumaccordingtotheangleobtainedbythesolution，controlstheswingamplitudeandlinearityofthewindpendulumbyadjustingthePIDparametersofeachstatequantity，linearlydecomposesthevolumeofoutputandinput，andcontrolsthewindpendulumtomoveaccordingtothespecifiedtrack.Thesystemcanquicklyrecovertothespecifiedstateafterexternalinterference.

Keywords：windpendulum;STM32;MPU6050;PID

0?引?言

風力摆控制系统是一种利用风力作为动力对物体进行位置控制的摆动装置控制系统。在工业自动化生产、飞行控制系统、娱乐场所、自动控制教学领域中，风力摆系统有很高的实用价值。目前的普遍问题是风力摆系统的自动控制水平不高。本文主要介绍风力摆控制系统的整体结构、硬件的选取、运动控制算法的分析、软件实施方案及实验结果的分析，读者可以结合所学的自动控制原理相关知识，设计风力摆系统并加以改进。

1?系统结构

本系统整体结构如图1所示，具体要求如下：

首先，控制风力摆做自由摆运动，在15秒内使激光笔在地面画出一条直线段，长度不短于50厘米，误差小于2.5厘米;其次，让风力摆以一定角度（30°～45°）摆动，5秒内使风力摆静止;最后，驱动风力摆用激光笔在地面画圆，圆的半径可在15～35厘米范围内可调，误差小于2.5厘米。

主控模块负责外部输入信号的处理和产生所需的输出信号;人机交互模块主要完成参数的设定和显示功能;倾角采集模块主要负责将风力摆的实时角度信息进行采集并转换为数字信号，传送给CPU进行处理;风机驱动模块负责产生PWM脉冲驱动风机转动;供电电源模块主要提供整个系统中所需的12V和5V电源。风力摆的系统结构如图2所示。

2?系统硬件方案设计

2.1?主控模块

采用STM32作为核心控制芯片。STM32F4支持J-link仿真调试，调试方便;资源丰富，有16个中断源、51个快速IO口;运行速度快，频率最高可达到72MHz，完全能胜任题目任务要求。STM32不仅内含硬件IIC电路，可以实现较高速率的采样，并且可以直接设置输出PWM波。STM32中FPU可以专门进行浮点运算，大部分浮点运算可以在一个指令周期内完成。

2.2?姿态采集模块

采用MPU6050六轴传感器。MPU6050集成了陀螺仪和加速度传感器，可