作者 吴振宇 李胜铭 高元龙 李超 殷殷 大连理工大学 立异创业学院(辽宁 大连 116024)
吴振宇(1971-)，男，博士，副教授，研讨方向：嵌入式体系、智能操控、机器人等范畴。
摘要：本文首要叙述运用Coretx-M4单片机操控风力摆运动轨道的完成办法。体系依据当时加快度、角速度及图画信息，运用闭环操控算法调理电机，完成风力摆直线摇摆、圆周摇摆及定点停止等功用。体系呼应速度快，操控精度高，交互操作界面简略易用，具有杰出的交互性。
导言
风力摆体系的摆体由电扇构成，通过调整电扇的转速完成摇摆方位及摇摆道路的操控，因为摇摆组织的滞后性，完成准确操控具有必定难度。通过合理的摆结构规划，并运用摆线理论建模，规划并优化操控战略，运用闭环结构提高摆的轨道运动准确性。体系对风摆操控参数设定、抗扰要素测验等惯性滞后问题解决具有学习含义，一起也为剖析该类问题建立了直观的测验渠道。
1 体系结构
本体系硬件部分首要由电源模块、MCU模块、姿势收集模块、电机驱动模块、风力摆机械部分等组成。机械部分为万向节悬挂65cm硬质杆，底端衔接4个风组织成风机组，中心固定姿势收集模块。MCU运用I2C协议收集姿势模块的数据，MCU依据设定值运用PID操控理论，通过操控PWM占空比来操控 4个风机的转速和方向，完成对风力摆的操控，全体体系结构如图1所示。
1.1 电源模块
7.2V /2000mAh镍镉电池为MCU模块、传感器模块和显现模块供电。
学生电源输出6V稳压，为四路电机驱动供电。
1.2 MCU模块
MCU模块是中心部分，担任数据处理。有以下功用：
担任读取风摆视点数据，将加快度、角速度信息进行互补滤波和四元数转化，核算当时风力摆视点信息;
担任读取摄像头图画信息，对数据进行去噪点化处理后提取标志物边际，核算得出标志物中心点方位;
担任操控电机驱动模块，运用PID闭环操控算法调理电机转速和方向，完成对风力摆运动轨道的操控。
1.3 姿势收集模块
姿势收集模块是整个操控体系的要害组成部分，本体系选用整合性六轴陀螺仪加快度计芯片，担任检测风力摆的加快度角速度信息[1]。
1.4 电机驱动模块
电机驱动模块为双BTN7960组成的H桥电机驱动，依据MCU操控器输出的PWM信号和方向信息，操控空心杯电机的转速和方向。
1.5 摄像头模块
摄像头模块是体系的特别功用部分，为完成摆头跟从方针物而规划。摄像头收集图画，并对方针物进行辨认，然后完成对方针物的跟从。
2 体系理论剖析与核算
2.1 风力摆状况的丈量与核算
选用高精度的加快计和陀螺仪MPU6050，不断收集风力摆姿势数据。MPU6050对陀螺仪和加快度计别离用了三个16位的ADC，将其丈量的模拟量转化为可输出的数字量，通过DMP处理器读取丈量数据，然后通过I2C总线输出，得到风摆的姿势视点。
2.2 风力摆操控剖析
风力摆通过4只空心杯电机供给驱动推力，姿势收集模块收集风力摆当时姿势角，单片机处理姿势角，调理4个电机PWM的份额，然后操控下一时间风机作业状况，完成关于风力摆的操控[3]。
在自在单摆模型中，单摆做简谐运动的周期跟摆长的平方根成正比，跟重力加快度的平方根成反比，跟振幅、摆球的质量无关[6]。
(1)
风摆摆长确认后，周期也就确认，如图2所示，依据自在单摆简谐运动的特性，运用三角函数联系[4~5]，风摆跟从天然周期做出单摆的运动，加上X、Y方向，两个方向运动相位差90度，如图3所示，风摆就能做出圆周运动。
在处理风力摆模型时，可认为是操控每一时间风力摆的姿势角，然后操控类自在摆运动和圆周运动。当物体脱离笔直的平衡方位之后，便会遭到重力与悬线的效果合力，驱动重物回复平衡方位。这个力称之为回复力，公式为。
2.3 操控算法的剖析
本体系选用PID算法来操控风机滚动的速度[2]。风机开端作业后，姿势收集模块不断收集当时风力摆姿势角状况，并与之前的状况比较，使得风力摆的运动状况逐步趋向于平稳。PID算法操控器由视点份额P、视点差错积分I和视点微分D组成。
其输入e(t)与输出U(t)的联系为：
(2)
它的传递函数为：
(3)
3 电路与程序规划
3.1 电路规划
3.1.1 电源
7.2V蓄电池电源经LT1529-5稳压得到5V电源，再通过两片LT1085电源芯片稳压得到两路3.3V电源，一路独自供电MCU，一路供电其它外设。主控板电源原理如图4所示。
