D题风力悬浮控制装置设计报告四

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    摘要:
    本系统以STM32单片机作为控制系统的检测和控制中心，通过4个无刷电机形成风向。以风力为动力，通过超声波模块实时采集圆盘倾斜度信息，然后采用PID算法进行精确调节，通过不断的反馈就可以精确控制圆盘的平衡。本系统能够在较短时间内完成指定要求。

    关键词:风力动力，PID 控制，超声波测距

1引言
1.1对题目的理解我们认为该题类似四轴飞行器，唯一不同于四轴 飞行器的是该悬浮装置风向不变，四轴飞行器风向随四轴而改变。由于风向不变，光靠风力调整圆盘的平稳，难度很大，我们需要借用物理方面的知识进行处理。

1.2设计思路及特点该风力悬浮控制装置能够悬浮圆盘，其原理借用风的推力，使圆盘悬浮起来。为保证圆盘不向侧面发生偏移，我们将风向倾斜，与圆盘成-一定角度，而非直角，这样风力就会产生侧面分力来调整圆盘。

电机转速采用PWM控制，同时在圆盘下方安装4个超声波模块，构成主要的反馈通道，在系统运行中，控制器根据反馈的数据信息计算出偏差，并通过-定的PID算法来控制4个电机的转速来控制圆盘的平衡，从而达到圆盘的稳定悬浮，如图1所示。



2方案设计2.1方案论证和比较2.1.1测距模块测距模块是该设计中的一一个重要部分，其功能是实时检测圆盘的倾斜度，并将相关参数反馈到控制器。该模块方案比较如下:
方案一:采用超声波测距模块。该模块受环境影响小、稳定。

方案二:采用红外测距传感器模块。该模块容易受灰尘的干扰，强光的干扰，不过速度快。

方案选择:因为风速对超声波的影响很小，几乎忽略不计，考虑到光线的问题，我们决定采用方案一。

2.1.2显示模块
显示模块是该系统不可缺少的一- 部分，用于观察系统数据、调节一些参数和输入参数。

方案一:采用12864液晶模块。该模块体积较大，占用1/0口较多。

方案二:采用0. 96寸oled液晶显示屏模块，该模块体积小，稳定性较高，分辨率较高。

方案选择:因为oled 屏占用I/0口少，而且体积较小，故选用方案二。:

2.1. 3电机选择电机是整个方案的关键，该设计的唯一动力就是电机风力。
方案一:轴流风机。该风机直径5-10cm、电压DC 5-12V， 电压越大，转速越快，风力越大。但该轴流风机风力不是太强。

方案二:无刷电机。该电机具有体积小、重量轻、寿命长、效率高、噪声小、振动小、反应快、风力大等优点。

方案选择:方案二中无刷电机具有风力大，而且噪音震动等很多方面都明显优于轴流风机，故采用方案二。

2.2系统设计
2.2. 1系统总体设计经过上述分析论证，最终方案如表1所示:



2.2.2系统详细框图确定了系统总体设计方案后，系统的详细设计框图如图2所示。


2.3硬件电路设计
2.3.1控制器电路本设计使用的控制器核心为STM32F 103ZET6,使用PIM通道输出四路PIM波分别对四个电机进行控制，控制器通过超声波测距，实时监测圆盘摆动状态:采用SPI与oled屏进行通信。实现人机交互。

2.3.2电机部分该部分主要由无刷电机和电机电调组成。电调作为电机驱动，通过控制PIM来控制电机启停和转速2. 3. 3超声波模块部分在风力发生装置上面安装4个超声波，成对角线形式，通过对圆盘检测距离来判断圆盘的倾斜方向和角度，安装位置如图3所示。



2.3. 4电源部分
重沈的电源田才大电源儿12V 3UAJ 提识，12Y 且按治电机电调供吧，开心以此向低压降稳压器AMS117得到3.3V和5V.分别给单片机和超声波供电。

2.4软件部分设计
2.4.1软件组成该设计的整体程序包括初始化程序、PID算法程序、电机控制程序、超声波检测程序、人机交互程序等部分。

2.42软件流程通过按键的输入来切换基础部分和发挥部分。程序流程图如下图4所示。



3设计实现
3.1距离采集遇到问题:超声波检测耗时较长。
解决方案:用通用定时器作为输入捕获。
遇到问题:圆盘脱离超声波检测范围。
解决方案:脱离后不进行PID处理，等待圆盘返回。

3.2悬浮
遇到问题:悬浮不稳定。
解决方案:用PID算法进行调节电机转速来优化圆盘的不稳定。
遇到问题:悬浮最大高度太低。
解决思路:因为风向向四周扩散，上方 出现无风状态，没有动力使圆盘上升，导致圆盘上升高度有限。所以要解决这个问题需将风向改变装置里面的挡板的倾角提高，这样上升高度将提升，不过会出现在低高度的不稳定性。如果将挡板改成可调式将会解决这个问题。经过两个角度挡板测试，此方案思路可行。由于资源问题，该思路尚未实施4.系统测试4.1测试工具刻度板、激光笔、硬币等。

4.2测试方法
悬浮状态下观察激光在刻度板上的位置来判断悬浮的稳定性，扔硬币到圆盘上来测试PID响应速度。
4.3数据记录
对基本要求的测试结果分别如表2所示。



    后面我们也对发挥部分进行了测试，完成了大部分要求。
    创新部分:一旦稳定悬浮，抗干扰能力强。

4.4测试结果
从数据记录可以看出，.基本要求和发挥部分都满足了设计要求，而且误差不是太高。

5结论
本次设计过程中，我们基本完成了基础要求和发挥部分。通过这个题目，我们加深了对PID控制算法和气体流动方式的理解，这也是我们本次设计的最大收获。该设计稳定性仍有缺漏，精度有待提高，因此我们下一步的努力方向就是通过PID算法调节和硬件上的优化来提高系统稳定性、准确性和快速性。

满座衣冠胜雪

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