风力摆系统的摆体由风扇构成，通过调整风扇的转速实现摆动位置及摆动路线的控制，由于摆动机构的滞后性，实现精确控制具有一定难度。通过合理的摆结构设计，并利用摆线理论建模，设计并优化控制策略，利用闭环结构提升摆的轨迹运动准确性。系统对风摆控制参数设定、抗扰因素测试等惯性滞后问题解决具有借鉴意义，同时也为分析该类问题建立了直观的测试平台。
1 系统结构
本系统硬件部分主要由电源模块、MCU模块、姿态采集模块、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，底端连接4个风机构成风机组，中心固定姿态采集模块。MCU使用I2C协议采集姿态模块的数据，MCU根据设定值利用PID控制理论，通过控制PWM占空比来控制 4个风机的转速和方向，实现对风力摆的控制，整体系统结构如图1所示。
【资料图】
1.1 电源模块
7.2V /2000mAh镍镉电池为MCU模块、传感器模块和显示模块供电。
学生电源输出6V稳压，为四路电机驱动供电。
1.2 MCU模块
MCU模块是核心部分，负责数据处理。有以下功能：
负责读取风摆角度数据，将加速度、角速度信息进行互补滤波和四元数转化，计算当前风力摆角度信息;
负责读取摄像头图像信息，对数据进行去噪点化处理后提取标志物边缘，计算得出标志物中心点位置;
负责控制电机驱动模块，利用PID闭环控制算法调节电机转速和方向，实现对风力摆运动轨迹的控制。
1.3 姿态采集模块
姿态采集模块是整个控制系统的关键组成部分，本系统采用整合性六轴陀螺仪加速度计芯片，负责检测风力摆的加速度角速度信息[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，根据MCU控制器输出的PWM信号和方向信息，控制空心杯电机的转速和方向。
1.5 摄像头模块
摄像头模块是系统的特殊功能部分，为实现摆头跟随目标物而设计。摄像头采集图像，并对目标物进行识别，进而实现对目标物的跟随。
2 系统理论分析与计算
2.1 风力摆状态的测量与计算
采用高精度的加速计和陀螺仪MPU6050，不断采集风力摆姿态数据。MPU6050对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量，通过DMP处理器读取测量数据，然后通过I2C总线输出，得到风摆的姿态角度。
2.2 风力摆控制分析
风力摆通过4只空心杯电机提供驱动推力，姿态采集模块采集风力摆当前姿态角，单片机处理姿态角，调节4个电机PWM的比例，从而控制下一时刻风机工作状态，实现对于风力摆的控制[3]。
在自由单摆模型中，单摆做简谐运动的周期跟摆长的平方根成正比，跟重力加速度的平方根成反比，跟振幅、摆球的质量无关[6]。
(1)
风摆摆长确定后，周期也就确定，如图2所示，根据自由单摆简谐运动的特性，利用三角函数关系[4~5]，风摆跟随自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，可认为是控制每一时刻风力摆的姿态角，从而控制类自由摆运动和圆周运动。当物体离开垂直的平衡位置之后，便会受到重力与悬线的作用合力，驱动重物回复平衡位置。这个力称之为回复力，公式为。
2.3 控制算法的分析
本系统采用PID算法来控制风机转动的速度[2]。风机开始工作后，姿态采集模块不断采集当前风力摆姿态角状态，并与之前的状态比较，使得风力摆的运动状态逐渐趋向于平稳。PID算法控制器由角度比例P、角度误差积分I和角度微分D组成。
其输入e(t)与输出U(t)的关系为：
(2)
它的传递函数为：
(3)
3 电路与程序设计
3.1 电路设计
3.1.1 电源
7.2V蓄电池电源经LT1529-5稳压得到5V电源，再经过两片LT1085电源芯片稳压得到两路3.3V电源，一路单独供电MCU，一路供电其它外设。主控板电源原理如图4所示。
3.1.2 微控制器
微控制器用Freescale公司的MK60DN512VLQ10 单片机，TSQFP50P-144N封装;内部集成硬件UART、I2C和DMA等通信模块，利用UART实现串口通信，I2C实现MPU6050通信，DMA实现图像数据的传输;具有三路独立FTM模块，多通道PWM输出功能，实现四路电机转速控制。主控板微控制器原理如图5所示。
3.1.3 电机驱动
电机驱动通过两片BTN7960驱动芯片组成H桥驱动电路，控制电机转向以及转速，电机驱动电路如图6所示。
3.1.4 姿态采集模块
采用InvenSense公司的MPU6050整合性6轴陀螺仪加速度计芯片，将加速度计、角速度计整合到一个封装内，简化电路设计;角速度感测器(陀螺仪)具有131 LSBs/°/sec 敏感度，全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec;加速度感测器程式控制范围为±2g、±4g、±8g和±16g;采用I2C通信协议，数据传输速度较串口方式更快，具有使用方便、易于调试等特点。MPU6050原理及接口如图7所示。
3.2 软件设计
本系统主要通过控制四个空心杯电机的转速与方向来控制偏移零点的角度。进行类自由摆运动时，按照正弦规律，在每一时刻给一个相应的幅度值，即可使风力摆按照规定的长度画出直线段。设定不同的偏角值，使得风力摆按规定角度摆动。画圆时，对幅值在x轴、y轴进行分解，即可对风力摆进行控制。主程序流程如图8所示。
软件设计中，仅需要一个1ms定时中断,应用分时复用原理，及时采集风摆姿态数据，快速响应输出，程序流程图如图9所示。
4 结论
经实际测试，本系统硬件、软件以及机械方案可行，且具有很高精度，该设计为风力扰动控制、自由摆等相关技术应用提供了借鉴作用。
参考文献：
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[3]刘峰,吕强,王国胜,等.四轴飞行器姿态控制系统设计[J].计算机测量与控制. 2011,19(3):583-585.
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[6]秦鸣雷,肖一凡,杨海亮,等.大角度下阻尼对单摆摆动周期的影响[J].物理实验. 2012,32(5):42-45.
