基于六軸陀螺儀的風力擺控制系統(tǒng)

袁宇鋒

通富微電子股份有限公司，江蘇南通 226001

0 前言

隨著生產(chǎn)力和科學技術(shù)的不斷發(fā)展，人們在生產(chǎn)過程中受控對象的條件日趨復(fù)雜，各種自動控制新技術(shù)層出不窮，尤其在擺動控制的基礎(chǔ)研究上，人們投入了大量的精力，如：張大為[1]提出了基于傾角傳感器的單擺控制系統(tǒng)；張榮鴻[2]提出了基于H∞理論的倒立擺控制系統(tǒng)；金玉濤等人[3]提出了基于PIC的單擺智能測控系統(tǒng)，均取得了良好的效果。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上，提出了一種新的基于六軸加速度傳感器和軸流電機的單擺控制系統(tǒng)，為擺動控制的研究提供了一種新思路。風力擺是進行無人機設(shè)計研究的基礎(chǔ)，對其深入分析和研究，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。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本風力擺控制系統(tǒng)主要由單片機控制模塊、電源模塊、軸流風機模塊、姿態(tài)采集模塊、人機交互模塊和風力擺機械結(jié)構(gòu)組成。在支架上固定萬向節(jié)，萬向節(jié)連接下方的金屬細桿，細桿最下端固定軸流風機，風機機架上固定姿態(tài)采集模塊，不斷采集當前姿態(tài)角并實時返回單片機，該姿態(tài)角數(shù)據(jù)通過單片機處理后控制PWM波，從而影響風機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對風力擺的控制。用矩陣鍵盤對系統(tǒng)功能進行選擇，并在LCD屏上進行顯示，實現(xiàn)人機交互功能。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

1.1 控制器模塊

系統(tǒng)采用MSP430f149單片機作為控制核心。MSP430f149具有資源豐富、工作效率快、功耗低、強大的中斷功能、可在線調(diào)試等優(yōu)點，適用于對風力擺的控制[4]。

1.2 電源模塊

系統(tǒng)使用雙電源供電。利用電源發(fā)生器提供的12 V電壓驅(qū)動風機轉(zhuǎn)動，12 V鋰電池通過5 V與3.3 V穩(wěn)壓芯片僅為單片機與其他器件供電。該方案滿足系統(tǒng)對供電的需求，且可確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1.3 風機擺動系統(tǒng)

系統(tǒng)選用4只軸流風機作為動力系統(tǒng)[5]。4只軸流風機豎直方向排列于細桿下端，呈兩兩正交擺放，使其風向相互垂直，具體如圖2所示。該方案的系統(tǒng)負載最輕，且便于狀態(tài)調(diào)整。

1.4 姿態(tài)傳感器

系統(tǒng)采用MPU-6050陀螺儀模塊[6]。該模塊整合了三軸陀螺儀和三軸加速度計，輸出六軸旋轉(zhuǎn)矩陣、四元數(shù)、Euler角的融合演算數(shù)據(jù)，通過處理后可檢測到擺桿的旋轉(zhuǎn)角度及其加速度，以便實現(xiàn)對擺桿的控制。MPU6050與單片機之間采用I2C接口[7]，實現(xiàn)高速通信。MPU6050對陀螺儀和加速度計分別用了3個16位ADC，將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過DMP處理器讀取測量數(shù)據(jù)后又通過串口輸出。

由MPU6050傳感器采集風力擺姿態(tài)角數(shù)據(jù)，單片機通過該信息調(diào)節(jié)風機驅(qū)動輸出PWM占空比，從而控制風機工作狀態(tài)，實現(xiàn)對風力擺的控制。

2 硬件部分設(shè)計與實現(xiàn)

該風機系統(tǒng)由MSP430F149作為控制器，通過讀取鍵盤鍵值進行系統(tǒng)功能選擇，并將選擇界面實時顯示于LCD顯示屏上。依照選擇的功能，控制器為風機輸送PWM波進行初始轉(zhuǎn)速控制的同時，處理MPU6050陀螺儀采集的姿態(tài)角數(shù)據(jù)，對PWM波進行修改，從而調(diào)整風機轉(zhuǎn)動狀態(tài)，實現(xiàn)對風機系統(tǒng)的閉環(huán)控制，在功能完成時由單片機開發(fā)板上的蜂鳴器與LED發(fā)出聲光信號。該系統(tǒng)采用雙電源，電源發(fā)生器和12 V鋰電池分別對風機和控制器等其他器件供電，電源通過電源穩(wěn)壓模塊可以提供5 V與3.3 V電壓值?？傮w方案如圖3所示。

2.1 電源穩(wěn)壓模塊

采用LM2598先將鋰電池12 V電壓轉(zhuǎn)換為10 V，再由AMS1117-5.0將10 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V，用于MSP430F149與LCD顯示屏的電源供給，部分5 V電壓再由AMS1117-3.3轉(zhuǎn)換為3.3 V，為MPU6050提供工作電壓。

2.2 鍵盤電路

鍵盤采用4×4矩陣鍵盤設(shè)計，其控制線路與單片機的P5口直連，利用對P5口的查詢功能檢測按鍵，完成鍵值的讀取，進而實現(xiàn)相應(yīng)的功能。

2.3 風機驅(qū)動電路

2個風機由同1個L298N驅(qū)動模塊驅(qū)動。單片機發(fā)送給驅(qū)動器的2個PWM波信號，分別輸入驅(qū)動上的ENA和ENB，控制風機一和風機二的轉(zhuǎn)速。電路設(shè)計如圖4所示。

2.4 聲光提示電路

功能完成時的聲光提示由單片機最小系統(tǒng)上的蜂鳴器與LED燈提供。蜂鳴器由P6.7控制，低電平鳴叫；4只LED燈由P2.0到P2.3口分別控制，低電平燈亮。該系統(tǒng)達到聲光提示要求時，控制蜂鳴器鳴叫且4個LED燈全亮，不滿足時則不蜂鳴且無燈亮。電路如圖5所示。

3 軟件部分設(shè)計與實現(xiàn)

該系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)主要分為：系統(tǒng)初始化模塊、對傳感器采集數(shù)據(jù)的處理模塊（控制線段長度，角度，制動，畫圓等）、聲光報警模塊、人機交互模塊。各子程序單獨調(diào)試正確后再進行統(tǒng)一調(diào)試。本風力擺控制系統(tǒng)利用PID算法控制PWM波來調(diào)節(jié)風機的轉(zhuǎn)速大小，改變擺臂的轉(zhuǎn)角，符合設(shè)計要求。

4 實驗結(jié)果

首先測試風力擺的擺動線性誤差，要求為驅(qū)動風力擺工作，使激光筆在15 s內(nèi)穩(wěn)定地在地面畫出一條長度不短于50 cm的直線段。測試結(jié)果如表1所示。

由表1可以發(fā)現(xiàn)，通過多次實驗，激光筆可以較為穩(wěn)定地劃出光跡，且線性誤差均不超過10%，滿足基本設(shè)計要求。

表1 穩(wěn)定直線軌跡測試

接著設(shè)置風力擺劃線長度，驅(qū)動風力擺工作，記錄相應(yīng)設(shè)置下穩(wěn)定擺動時所需平均時間與長度偏差。測試結(jié)果如表2所示。

由表2可以發(fā)現(xiàn)，本風力擺系統(tǒng)可較快地實現(xiàn)從靜止到穩(wěn)定擺動，平均時間在12～15 s之間，同時，擺動水平測量誤差均不超過3 cm，精度較高。

表2 穩(wěn)定擺動時所需平均時間與長度偏差

5 結(jié)束語

本文基于陀螺儀和軸流風機設(shè)計了一種新型的單擺控制系統(tǒng)，該風力擺系統(tǒng)的擺動距離可在30 cm到50 cm距離內(nèi)較精確地實現(xiàn)，且線性度較好，擺動水平誤差精度較高，被控制在±2.5 cm范圍內(nèi)。本系統(tǒng)為單擺控制方案的設(shè)計提供了一個新思路。