2015年電賽控制類—STM32風(fēng)力擺控制系統(tǒng)資料+源程序

ID:313027 · 發(fā)表于 2019-7-19 13:49

15年電賽已經(jīng)過(guò)去四年了，19年電賽將至，在新一年的電賽到來(lái)之前給大家分享一份風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的全套資料（包括代碼、上位機(jī)、設(shè)計(jì)報(bào)告等）。在此我要感謝我的指導(dǎo)教師王師傅，您是我見(jiàn)過(guò)最負(fù)責(zé)的教師，下面我們切入正題。
風(fēng)力擺控制系統(tǒng)主要應(yīng)用了一個(gè)物理知識(shí)——李薩如圖形，李薩如圖形貫穿整個(gè)風(fēng)力擺設(shè)計(jì)的始終。無(wú)論是畫直線還是畫圓都應(yīng)用到了李薩如圖形，風(fēng)力擺可以看成是XY兩個(gè)方向上的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。當(dāng)兩個(gè)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的相位和周期相等、幅值不等時(shí)，風(fēng)力擺會(huì)在下方畫出不同長(zhǎng)度不同角度的直線；當(dāng)兩個(gè)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的幅值和周期相等、相位相差Π/2時(shí)，風(fēng)力擺會(huì)在下方畫出不同半徑的圓（具體請(qǐng)多了解一下李薩如圖形）。風(fēng)力擺的各種注意事項(xiàng)請(qǐng)大家仔細(xì)閱讀代碼中的READEME.txt文件，代碼框架和STM32F1的源代碼格式相同，方便大家理解。最后祝大家19年電賽都能取得一個(gè)好成績(jī)！

接線方式：
      OLED:
            SCL------PB5
            SDA------PB4
            RST------PB3
            D/C------PA15
      MPU6050:
            SCL------PB8
            SDA------PB9
      L298N:
            PWM1----PB1
            R_EN1----PB12
            L_EN1----PB13
            PWM2----PA1
            R_EN2----PB14
            L_EN2----PB15
      KEY:
            KEY1-----PA11
            KEY2-----PA12
            KEY3-----PB6
            KEY4-----PB7

如有疑問(wèn)請(qǐng)QQ聯(lián)系：1183092619(注明來(lái)意否者不予通過(guò)驗(yàn)證)

風(fēng)力擺圖片：

上位機(jī)圖片：

風(fēng)力擺控制系統(tǒng)是一種利用風(fēng)力控制物體做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，風(fēng)力的利用和控制技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展尚未完善，國(guó)內(nèi)正處于起步階段。風(fēng)力擺的工作原理具有較為典型的自動(dòng)化控制理論特點(diǎn)，其控制方法多種多樣。深入研究，在許多工程技術(shù)領(lǐng)域都有著廣闊的開(kāi)發(fā)前景。風(fēng)力擺系統(tǒng)的擺體由風(fēng)扇構(gòu)成，通過(guò)調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)位置及擺動(dòng)路線的控制，由于擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的滯后性，實(shí)現(xiàn)精確控制具有一定難度。通過(guò)合理的擺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用擺線理論建模，設(shè)計(jì)并優(yōu)化控制策略，利用閉環(huán)結(jié)構(gòu)提升擺的軌跡運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性。其中的控制原理對(duì)于人們處理工業(yè)工程，同樣存在借鑒。系統(tǒng)對(duì)風(fēng)擺控制參數(shù)設(shè)定、抗擾因素測(cè)試等慣性滯后問(wèn)題解決具有借鑒意義，同時(shí)也為分析該類問(wèn)題建立了直觀的測(cè)試平臺(tái)。風(fēng)力擺是一種通過(guò)風(fēng)機(jī)作為唯一動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的裝置,深入研究該系統(tǒng)對(duì)空間飛行器、四旋翼無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和衛(wèi)星姿態(tài)控制具有重大意義。

三、主要研究?jī)?nèi)容

1. 基本要求
（1）從靜止開(kāi)始，15s 內(nèi)控制風(fēng)力擺做類似自由擺運(yùn)動(dòng)，使激光筆穩(wěn)定地
在地面畫出一條長(zhǎng)度不短于 50cm 的直線段，其線性度偏差不大于±
2.5cm，并且具有較好的重復(fù)性；
（2）從靜止開(kāi)始，15s 內(nèi)完成幅度可控的擺動(dòng)，畫出長(zhǎng)度在 30~60cm 間可設(shè)置，長(zhǎng)度偏差不大于±2.5cm 的直線段，并且具有較好的重復(fù)性；
（3）可設(shè)定擺動(dòng)方向，風(fēng)力擺從靜止開(kāi)始，15s 內(nèi)按照設(shè)置的方向（角度）
擺動(dòng)，畫出不短于 20cm 的直線段；
（4）將風(fēng)力擺拉起一定角度（30°~45°）放開(kāi)，5s 內(nèi)使風(fēng)力擺制動(dòng)達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)。
2．發(fā)揮部分
（1）以風(fēng)力擺靜止時(shí)激光筆的光點(diǎn)為圓心，驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺用激光筆在地面畫圓，30s 內(nèi)需重復(fù) 3 次；圓半徑可在 15~35cm 范圍內(nèi)設(shè)置，激光筆畫出的軌跡應(yīng)落在指定半徑±2.5cm 的圓環(huán)內(nèi)；
（2）在發(fā)揮部分（1）后繼續(xù)作圓周運(yùn)動(dòng)，在距離風(fēng)力擺 1~2m 距離內(nèi)用一臺(tái) 50~60W 臺(tái)扇在水平方向吹向風(fēng)力擺，臺(tái)扇吹 5s 后停止，風(fēng)力擺能
夠在 5s 內(nèi)恢復(fù)發(fā)揮部分（1）規(guī)定的圓周運(yùn)動(dòng)，激光筆畫出符合要求的
軌跡；
（3）其他。

四、總體思路與研究方案

1. 總體思路
風(fēng)力擺控制系統(tǒng)是一個(gè)極其不穩(wěn)定的系統(tǒng)，擺桿的長(zhǎng)度、風(fēng)機(jī)的安裝位置、萬(wàn)向節(jié)的阻力等因素都會(huì)引起系統(tǒng)產(chǎn)生誤差，該系統(tǒng)中應(yīng)用了一個(gè)物理知識(shí)——李薩如圖形。李薩如圖形貫穿整個(gè)風(fēng)力擺控制系統(tǒng)的始終，畫直線時(shí)兩個(gè)方向上的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)相位相等，幅值不同就會(huì)畫出不同角度不同長(zhǎng)度的直線；畫圓時(shí)兩個(gè)方向上的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)相位相差Π/2，幅值相同就會(huì)畫出不同半徑的圓。
設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)時(shí)將角度傳感器mpu6050固定在擺桿上，傳感器返回的數(shù)據(jù)通過(guò)串口顯示在上位機(jī)上。在程序里設(shè)置兩條目標(biāo)值曲線，根據(jù)上位機(jī)顯示的實(shí)際值波形與目標(biāo)值曲線之間的差異進(jìn)行PID參數(shù)的整定。實(shí)際上整個(gè)系統(tǒng)的目的就是讓實(shí)際值曲線沿著目標(biāo)值曲線的軌跡運(yùn)動(dòng)。
2. 實(shí)施方案
(1)電機(jī)的論證和選擇
方案1：采用驅(qū)動(dòng)、風(fēng)機(jī)一體化的軸流風(fēng)機(jī)
驅(qū)動(dòng)、風(fēng)機(jī)一體化的軸流風(fēng)機(jī)有可以免去驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)、節(jié)省結(jié)構(gòu)空間、控制方法簡(jiǎn)單，散熱快等優(yōu)點(diǎn)，但是他的風(fēng)力較小而且重量大，響應(yīng)速度和其他電機(jī)相比也比較慢。
方案2：采用空心杯電機(jī)
空心杯電機(jī)重量小，風(fēng)力大，起動(dòng)、制動(dòng)迅速，響應(yīng)極快，能量轉(zhuǎn)換效率很高。但是他的抗干擾能力較弱容易受到很多外界因素的影響。

綜合以上兩種方案選擇方案2。
(2)驅(qū)動(dòng)模塊的論證和選擇
方案1：采用TB6612FNG驅(qū)動(dòng)模塊
TB6612FNG驅(qū)動(dòng)模塊雙通道輸出，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)。每個(gè)通道可以輸出最高1A的驅(qū)動(dòng)電流，啟動(dòng)峰值電流達(dá)2A。TB6612FNG是基于MOSFET的H橋集成電路，效率遠(yuǎn)高于晶體管H橋驅(qū)動(dòng)器。
方案2：采用L298N驅(qū)動(dòng)模塊
L298N驅(qū)動(dòng)模塊是一種高電壓、大電流的驅(qū)動(dòng)模塊，它采用L298N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，單橋可以輸出的最大驅(qū)動(dòng)電流為2A，驅(qū)動(dòng)部分端子供電范圍為5V~35V。
綜合以上兩種方案選擇方案2。
(3)主控模塊的論證與選擇
方案1：采用STC89C51單片機(jī)
STC89C51單片機(jī)最高工作時(shí)鐘頻率為80MHz，內(nèi)含8K Bytes的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash 存儲(chǔ)單元。
方案2：采用STM32單片機(jī)
STM32單片機(jī)是ST公司使用arm公司的cortex-M3為核心生產(chǎn)的32bit系列的單片機(jī)，他的內(nèi)部資源非常豐富，基本上接近于計(jì)算機(jī)的CPU了，最高工作頻率72MHz。
綜合以上兩種方案選擇方案2。
(4)角度檢測(cè)模塊的論證與選擇
方案1：采用角度傳感器
由UZZ9001和KMZ41組成角度測(cè)量模塊,并使用矩形磁鐵進(jìn)行配合測(cè)量磁鐵與KMZ41芯片之間的角度。UZZ9001將KMZ41輸出的正余弦角度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),并通過(guò)SPI串口輸出。但KMZ41調(diào)試比較困難,不方便用于測(cè)量?jī)A角。
方案2：采用MPU6050模塊
MPU6050測(cè)量角度集成了三軸MEMS陀螺儀,三軸MEMS加速度計(jì)。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(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。測(cè)量范圍可控,通信采用I2C總線,操作簡(jiǎn)單。
綜合以上兩種方案選擇方案2。
(5)電源的論證和選擇
方案1:采用航模電池,
航模電池可以輸出12V的電壓,可反復(fù)充電。此方案的優(yōu)點(diǎn)是風(fēng)力擺與外界無(wú)需電源連線統(tǒng)安裝方便,但電壓會(huì)有波動(dòng),不能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。
方案2：采用開(kāi)關(guān)電源
利用開(kāi)關(guān)電源雖然系統(tǒng)安裝較復(fù)雜,但功率較大,電壓穩(wěn)定。
綜合以上兩種方案選擇方案2
五、主要研究結(jié)果

經(jīng)過(guò)我們團(tuán)隊(duì)的不懈努力，風(fēng)力擺控制系統(tǒng)現(xiàn)在可以完成一下要求：
（1）從靜止開(kāi)始，15s 內(nèi)控制風(fēng)力擺做類似自由擺運(yùn)動(dòng)，使激光筆穩(wěn)定地
在地面畫出一條長(zhǎng)度不短于 50cm 的直線段，其線性度偏差不大于±
2.5cm，并且具有較好的重復(fù)性；
（2）從靜止開(kāi)始，15s 內(nèi)完成幅度可控的擺動(dòng)，畫出長(zhǎng)度在 30~60cm 間可設(shè)置，長(zhǎng)度偏差不大于±2.5cm 的直線段，并且具有較好的重復(fù)性；
（3）可設(shè)定擺動(dòng)方向，風(fēng)力擺從靜止開(kāi)始，15s 內(nèi)按照設(shè)置的方向（角度）
擺動(dòng)，畫出不短于 20cm 的直線段；
（4）將風(fēng)力擺拉起一定角度（30°~45°）放開(kāi)，5s 內(nèi)使風(fēng)力擺制動(dòng)達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)。
（5）以風(fēng)力擺靜止時(shí)激光筆的光點(diǎn)為圓心，驅(qū)動(dòng)風(fēng)力擺用激光筆在地面畫圓，30s 內(nèi)需重復(fù) 3 次；圓半徑可在 15~35cm 范圍內(nèi)設(shè)置，激光筆畫出的軌跡應(yīng)落在指定半徑±2.5cm 的圓環(huán)內(nèi)；
（6）在發(fā)揮部分（1）后繼續(xù)作圓周運(yùn)動(dòng)，在距離風(fēng)力擺 1~2m 距離內(nèi)用一臺(tái) 50~60W 臺(tái)扇在水平方向吹向風(fēng)力擺，臺(tái)扇吹 5s 后停止，風(fēng)力擺能
夠在 5s 內(nèi)恢復(fù)要求（5）規(guī)定的圓周運(yùn)動(dòng)，激光筆畫出符合要求的軌跡；
六、存在的問(wèn)題及今后努力方向

這個(gè)風(fēng)力擺控制系統(tǒng)在畫圓的時(shí)候畫出來(lái)的圓不是太完美，即使理論值我都算出來(lái)了并且按照理論值設(shè)定各參數(shù)但是理論和實(shí)際之間總有差距，引起這一現(xiàn)象可能的因素有萬(wàn)向節(jié)阻力、激光束是否和擺桿在一條直線上、MPU6050的安放位置等。我嘗試著改變兩個(gè)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)曲線的幅值和相位差，如果這幾個(gè)因素改變的程度過(guò)低風(fēng)力擺表現(xiàn)得不太明顯，如果過(guò)高風(fēng)力擺畫出來(lái)的就是一個(gè)橢圓，很難找到一個(gè)非常非常完美的參數(shù)。今后我會(huì)更加刻苦的學(xué)習(xí)PID算法、信號(hào)的分析和處理等知識(shí)，致知于行，學(xué)以致用，讓理論能很好的應(yīng)用到實(shí)踐中。

單片機(jī)源程序如下:

#include "sys.h"
int Position_Pwm,Moto_qb1,Moto_qb2,Count_Moto;
double Count_qb;
int myabs(int a)
{
int temp;
if(a<0) temp=-a;
else temp=a;
return temp;
}
int Position_PID1 (float Angle,float Target)
{
Last_Bias1=Bias1; //保存上一次偏差
Bias1=Target-Angle; //計(jì)算偏差
Integral_bias1+=Bias1; //求出偏差的積分
Pwm1=-KP1*Bias1+KI1*Integral_bias1-KD1*(Bias1-Last_Bias1)*10; //位置式PID控制器
return Pwm1; //增量輸出
}
int Position_PID2 (float Angle,float Target)
{
Last_Bias2=Bias2; //保存上一次偏差
Bias2=Target-Angle; //計(jì)算偏差
Integral_bias2+=Bias2; //求出偏差的積分
Pwm2=-KP2*Bias2+KI2*Integral_bias2-KD2*(Bias2-Last_Bias2)*10; //位置式PID控制器
return Pwm2; //增量輸出
}
void Set_Pwm1(int moto)
{
if(moto<0) AIN2=1, AIN1=0;
else AIN2=0, AIN1=1;
TIM_SetCompare4(TIM3,myabs(moto));
}
void Set_Pwm2(int moto)
{
if(moto<0) BIN2=1, BIN1=0;
else BIN2=0, BIN1=1;
TIM_SetCompare2(TIM2,myabs(moto));
}
void balance(void)
{
float balance1,balance2;
balance1=Position_PID1(500,500);
balance2=Position_PID2(500,500);
Set_Pwm1(balance1);Set_Pwm2(balance2);
}
void control(void)
{
static float Count_Big_Angle=0.019635;
Count_qb+=Count_Big_Angle; //自變量
Target_Position1=A*sin(Count_qb+X)+495-m; //運(yùn)動(dòng)公式
Target_Position2=B*sin(Count_qb+Y)+500-n; //運(yùn)動(dòng)公式
Moto_qb1=Position_PID1((Roll-42.4)*10,Target_Position1); //位置閉環(huán)控制
Moto_qb2=Position_PID2((Pitch+50)*10,Target_Position2); //位置閉環(huán)控制
Set_Pwm1(Moto_qb1);Set_Pwm2(Moto_qb2); //賦值給PWM寄存器
}

復(fù)制代碼

#include "sys.h"
float Pitch,Roll,Yaw;
float KP1=0,KD1=0,KI1=0,KP2=0,KD2=0,KI2=0;
float Menu=1,A=0,B=0,X=0,Y=0,m=0,n=0;
int EN=0;
float Target_Position1=500,Target_Position2=500,Last_Bias1,Bias1,Pwm1,Integral_bias1,Last_Bias2,Bias2,Pwm2,Integral_bias2;
int main(void)
{
delay_init();
IIC_Init();
JTAG_Set(SWD_ENABLE);
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //設(shè)置NVIC中斷分組2:2位搶占優(yōu)先級(jí)，2位響應(yīng)優(yōu)先級(jí)
uart_init(9600); //串口初始化為9600
DMP_Init();
KEY_Init();
TIM4_Int_Init(49,7199);//10Khz的計(jì)數(shù)頻率，計(jì)數(shù)到30為3ms
TIM3_PWM_Init(1499,0); //不分頻。PWM頻率=72000000/900=80Khz
TIM2_PWM_Init(1499,0); //不分頻。PWM頻率=72000000/900=80Khz
OLED_Init();
LED_Init();
EXTIX_Init();
while(1)
{
DataScope();
oled_show();
}
}

復(fù)制代碼

所有資料51hei提供下載:

15年電賽控制類——風(fēng)力擺.7z (2.84 MB, 下載次數(shù): 434)

ID:463405 · 發(fā)表于 2019-7-21 15:12

拿走了，表示非常感謝

ID:435708 · 發(fā)表于 2019-7-21 17:08

好資料

ID:570384 · 發(fā)表于 2019-7-22 10:49

給力

ID:445996 · 發(fā)表于 2019-7-22 10:57

謝謝分享！

ID:589206 · 發(fā)表于 2019-7-23 20:12

謝謝分享

ID:555142 · 發(fā)表于 2019-7-25 18:33

謝謝樓主分享

ID:411729 · 發(fā)表于 2019-7-27 15:35

感謝分享

ID:428195 · 發(fā)表于 2019-7-27 21:34

謝謝，挺好的看起來(lái)

ID:590486 · 發(fā)表于 2019-7-29 14:56

今年準(zhǔn)備做電設(shè) ，作為參考不錯(cuò)

ID:590486 · 發(fā)表于 2019-7-29 14:56

感謝樓主分享

ID:32305 · 發(fā)表于 2019-7-30 21:12

程序下載后解壓不了。解壓有錯(cuò)誤！

ID:592923 · 發(fā)表于 2019-7-31 10:26

這個(gè)是51的板寫的嗎？

ID:313027 · 發(fā)表于 2019-7-31 21:12

1951075938 發(fā)表于 2019-7-31 10:26
這個(gè)是51的板寫的嗎？

stm32f1

ID:593598 · 發(fā)表于 2019-8-2 09:22

謝謝分享

ID:593792 · 發(fā)表于 2019-8-2 16:30

謝謝分享

ID:300443 · 發(fā)表于 2019-8-5 12:03

你的OLED多大的喔

ID:313027 · 發(fā)表于 2019-8-6 14:27

未完待續(xù)鳳發(fā)表于 2019-8-5 12:03
你的OLED多大的喔

0.96 六線SPI

ID:382816 · 發(fā)表于 2019-9-5 16:12

樓主當(dāng)年是東北賽區(qū)的嗎，同款架子

ID:698986 · 發(fā)表于 2020-4-3 19:01

想問(wèn)一下波形上位機(jī)用的是什么呀

ID:89217 · 發(fā)表于 2020-4-7 23:57

太給力了樓主威武

ID:643165 · 發(fā)表于 2020-4-30 09:28

pb什么意思

ID:770154 · 發(fā)表于 2020-6-9 21:02

感謝分享

ID:555142 · 發(fā)表于 2020-6-27 21:44

靠著樓主的代碼，19年電賽拿了區(qū)二，哈哈哈

ID:899778 · 發(fā)表于 2021-7-12 00:35

拿走了，表示非常感謝

ID:955477 · 發(fā)表于 2021-7-28 09:45

沒(méi)看明白，k1、k2、k3按鍵的作用是什么

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2015年電賽控制類—STM32風(fēng)力擺控制系統(tǒng)資料+源程序

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