2015年电赛风力摆设计方案.pdfVIP

2015 年全国大学生电子设计竞赛 风力摆控制系统设计方案（B 题） 【组】 2015 年08 月12 日 第 1 页 共 11 页 1 设计任务与要求 1.1 设计任务 一长约60cm~70cm 的细管上端用万向节固定在支架上，下方悬挂一组（2~4 只） 直流风机，构成一风力摆，如图 1 所示。风力摆上安装一向下的激光笔，静止时， 激光笔的下端距地面不超过20cm。设计一测控系统，控制驱动各风机使风力摆按照 一定规律运动，激光笔在地面画出要求的轨迹。 1.2 设计要求 基本要求 （1）从静止开始，15s 内控制风力摆做类似自由摆运动，使激光笔稳定地在地面画 出一条长度不短于50cm 的直线段，其线性度偏差不大于±2.5cm，并且具有较好的 重复性； （2） 从静止开始，15s 内完成幅度可控的摆动，画出长度在 30~60cm 间可设置， 长度偏差不大于±2.5cm 的直线段，并且具有较好的重复性； （3）可设定摆动方向，风力摆从静止开始，15s 内按照设置的方向（角度）摆动， 画出不短于20cm 的直线段； （4） 将风力摆拉起一定角度（30°~45°）放开，5s 内使风力摆制动达到静止状 态。 发挥部分 （1）以风力摆静止时激光笔的光点为圆心，驱动风力摆用激光笔在地面画圆， 30s 内需重复3 次；圆半径可在15~35cm 范围内设置，激光笔画出的轨迹应落在指 定半径±2.5cm 的圆环内； （2） 在发挥部分（1）后继续作圆周运动，在距离风力摆 1~2m 距离内用一台 50~60W 台扇在水平方向吹向风力摆，台扇吹5s 后停止，风力摆能够在5s 内恢复 发挥部分（1）规定的圆周运动，激光笔画出符合要求的轨迹； （3） 其他。 2 设计方案与比较 2.1 设计原理 本系统硬件主要由MCU、倾角/陀螺仪传感器（可选MPU6050）、四个轴流风机、 电源供电模块、驱动模块、摆杆及支架构成。XXXMCU 作为系统的控制核心，倾角传 感器对摆杆的运行状态数据进行实时采集并反馈回单片机，形成闭环控制系统，单 片机对返回的数据结合PID (前三项无需PID)控制算法进行处理，产生的控制量作用 于驱动电路从而实现对四个轴流风机转速及转向的控制。四个轴流风机产生空气推 力进而实现对摆杆的控制。硬件框图如图1-2 所示。 第 2 页 共 11 页 图1 机械结构 图2 风机呈十字形分布 注意事项： 1、风机的布局极为重要，建议采用十字形布局； 2、关于风机功率问题，由于风机系统质量较大，低功率风机不足以提供动力，因此 有必要使用大功率风机，推荐款连接： /item.htm?id=40574565260tracelogww=ltckbburl 3、风机功率过大，设计到电源供电问题，一般的电池无法满足要求，故提供一款电 源设计方案，以市电220V 降压得到需要供电电压，电路原理图及PCB 图随附件； 4、轴流风机改装，经过实验，一种可行且简单的改装方案是采用四旋翼飞行器所用 的空心杯电机及其螺旋桨（这本身也是一种轴流风机，并不犯规），这样做的好 第 3 页 共 11 页 处很明显：动力充足；驱动简单（配合专业电调）；容易固定（空心杯电机上自 带螺丝孔）。 2.2 基本部分实现方案 1 设计要求：从静止开始，15s 内控制风力摆做类似自由摆运动，使激光笔稳定地 在地面画出一条长度不短于50cm 的直线段，其线性度偏差不大于±2.5cm，并且具 有较好的重复性； 分析： 这明显是一个全开环的控制，通过粗略调节便可实现，需要控制的是摆杆的角