2025年全国大学生电子设计竞赛技术报告

摘要

（本部分是报告的高度浓缩，约300-500字，应包含项目背景、设计目标、总体方案、核心实现、最终成果和创新点。） ** 是2025年全国大学生电子设计竞赛的赛题之一，本设计旨在实现 [简述作品的核心功能，控制风力摆实现各种轨迹运动]，系统以 [核心控制器，STM32F103系列微控制器] 为核心，结合高精度传感器 [MPU6050九轴传感器] 和大功率直流电机驱动模块 [L298N驱动模块] 构成闭环控制系统。

硬件设计上,系统由主控模块、姿态检测模块、电机驱动模块、电源模块和辅助人机交互模块组成，软件设计上，我们采用 [核心算法，卡尔曼滤波] 对传感器数据进行融合处理，以提高姿态解算的精度；并设计了 [控制算法，增量式PID] 控制算法，实时调整电机转速，以实现稳定控制。

经过测试与调试,本系统成功实现了 [列举实现的主要功能，静止、画线、画圆、摆动等] 功能，系统运行稳定，响应迅速，轨迹误差控制在 [±2cm] 以内，各项性能指标均达到或超过题目要求，本设计在控制算法、硬件集成和系统稳定性方面进行了创新性探索，具有较高的实用价值和扩展性。

[风力摆；STM32；PID控制；MPU6050；卡尔曼滤波]

目录

1. 系统方案论证 ........................................................................................................... [X] 1.1. 任务分析与设计目标 ..................................................................................... [X] 1.2. 系统总体方案设计 ......................................................................................... [X] 1.3. 核心控制器选型 ............................................................................................. [X] 1.4. 传感器选型 ..................................................................................................... [X] 1.5. 执行机构选型 ................................................................................................. [X] 1.6. 电源方案选型 ................................................................................................. [X]
2. 理论分析与计算 ................................................................................................... [X] 2.1. 建模与控制策略 ............................................................................................. [X] 2.2. PID控制参数整定 ........................................................................................... [X] 2.3. 传感器数据融合与滤波 ................................................................................. [X] 2.4. 电机驱动与PWM计算 ..................................................................................... [X]
3. 电路与程序设计 ................................................................................................... [X] 3.1. 硬件电路设计 ................................................................................................. [X] 3.1.1. 主控电路 ............................................................................................. [X] 3.1.2. 传感器电路 ......................................................................................... [X] 3.1.3. 电机驱动电路 ..................................................................................... [X] 3.1.4. 电源管理电路 ..................................................................................... [X] 3.2. 软件程序设计 ................................................................................................. [X] 3.2.1. 开发环境与总体流程 ......................................................................... [X] 3.2.2. 传感器数据采集与处理程序 ............................................................. [X] 3.2.3. 控制算法实现程序 ............................................................................. [X] 3.2.4. 电机PWM输出与驱动程序 ............................................................... [X] 3.2.5. 任务调度与状态机设计 ..................................................................... [X]
4. 系统测试与结果分析 ........................................................................................... [X] 4.1. 测试环境与仪器 ............................................................................................. [X] 4.2. 硬件模块测试 ................................................................................................. [X] 4.3. 软件功能测试 ................................................................................................. [X] 4.4. 系统整体性能测试 ......................................................................................... [X] 4.5. 测试结果分析与误差讨论 ............................................................................. [X]
5. ......................................................................................................................... [X]
6. 参考文献 ............................................................................................................... [X]
7. 附录 ......................................................................................................................... [X] 7.1. 系统完整电路原理图 ..................................................................................... [X] 7.2. 核心源代码清单 ............................................................................................. [X] 7.3. 实物照片 ......................................................................................................... [X]

系统方案论证

1. 任务分析与设计目标

本赛题要求设计并制作一个风力摆控制系统,能够控制摆杆在规定时间内完成指定轨迹，具体任务分解如下：

• 基本任务： 实现风力摆的静止平衡控制。
• 发挥部分任务：
  1. 在规定时间内,控制摆杆从静止开始，摆动到与竖直方向成特定角度并保持稳定。
  2. 控制摆杆在竖直平面内沿任意直线轨迹运动。
  3. 控制摆杆在竖直平面内沿任意圆形轨迹运动。
  4. 其他创新功能。

设计目标：

• 稳定性： 系统启动后能在短时间内达到静止平衡状态，抗干扰能力强。
• 精度： 轨迹运动（直线、圆）的误差小，姿态控制角度准确。
• 响应速度： 对控制指令的响应迅速，动态性能好。
• 可靠性： 系统长时间运行稳定，不易死机或失控。

2. 系统总体方案设计

为实现上述目标,我们设计了如图1所示的系统总体框图，系统采用“传感器-控制器-执行器”的闭环控制结构。

[图1：系统总体框图] （此处应插入一个框图，包含：风力摆（含电机） -> 传感器 -> 主控制器 -> 电机驱动器 -> 风力摆，形成一个闭环，主控制器连接电源模块和按键/显示等交互模块。）

3. 核心控制器选型

51系列单片机 (如STC89C52)

• 优点： 成本极低，资料丰富，开发简单。
• 缺点： 运算速度慢，片上资源（如定时器、PWM通道）有限，难以实现复杂的卡尔曼滤波和PID控制算法，实时性较差。

STM32系列微控制器 (如STM32F103ZET6)

• 优点： 基于 ARM Cortex-M3 内核，主频高（可达72MHz），拥有丰富的片上资源（多个高级定时器、ADC、SPI/I2C通信接口），支持硬件浮点运算（FPU），能够高效处理传感器数据和执行复杂控制算法。
• 缺点： 相比51单片机，学习曲线稍陡。

考虑到系统对实时性和计算能力的高要求，我们选择 方案二，STM32F103ZET6 作为主控制器。

4. 传感器选型

单轴/双轴加速度计

• 优点： 成本低。
• 缺点： 无法直接测量角速度，且静态下易受重力加速度影响，无法解算完整姿态。

六轴惯性测量单元 (IMU，如MPU6050)

• 优点： 集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪，通过数据融合（如卡尔曼滤波）可以精确计算出摆杆的俯仰和横滚角度，满足姿态检测需求。
• 缺点： 成本相对较高。

为获取完整的姿态信息，我们选择 方案二，MPU6050 作为核心传感器。

5. 执行机构选型

舵机

• 优点： 控制简单，自带减速箱，输出扭矩大。
• 缺点： 响应速度较慢，难以满足风力摆快速摆动的要求，且线性度不佳。

直流减速电机

• 优点： 响应速度快，转速高，通过PWM控制可以方便地调节转速和方向，配合风扇叶片能产生足够的风力。
• 缺点： 需要外接电机驱动电路，控制算法相对复杂。

考虑到风力摆需要快速、连续的风力变化，我们选择 方案二，直流减速电机 作为执行机构。

6. 电源方案选型

系统需要为STM32、传感器、电机和风扇等模块供电，电机功率较大，需单独供电。

• 主控制器与传感器供电： 采用LM2596等降压模块，将12V锂电池电压降压至5V，再通过AMS1117-3.3V稳压至3.3V为STM32和MPU6050供电。
• 电机供电： 直接使用12V锂电池供电，通过电机驱动模块进行控制。

采用 12V锂电池 + 多级稳压 的方案，满足不同模块的供电需求，保证系统稳定运行。

理论分析与计算

1. 建模与控制策略

风力摆可以简化为一个倒立摆系统,其运动方程复杂，具有非线性、强耦合的特性，我们采用经典的 PID（比例-积分-微分）控制算法 进行闭环控制。

• P（比例）环节： 快速响应误差，误差越大，控制作用越强。
• I（积分）环节： 消除稳态误差，防止系统在目标位置附近震荡。
• D（微分）环节： 预见误差的变化趋势，抑制超调，提高系统稳定性。

控制策略上,我们采用 位置式PID，将传感器反馈的实时角度与目标角度进行比较，得到误差 e(t)，然后通过PID公式计算控制量 u(t)，该控制量经过转换后输出给电机驱动器。

2. PID控制参数整定

PID参数的整定是系统成败的关键,我们采用 试凑法 结合 Ziegler-Nichols经验公式 进行整定。

1. 整定P： 先将I和D置零，从小到大增加P，直到系统开始出现等幅震荡，记录此时的临界增益 Ku 和临界震荡周期 Tu。
2. 整定PI： 根据Z-N公式（如P=0.6Ku, I=1.2Ku/Tu），设置P和I，消除稳态误差。
3. 整定PID： 加入D环节，从零开始增加D，以抑制超调，使系统快速平稳地达到目标。

经过反复调试,我们为不同任务（静止、画线、画圆）找到了一组较优的PID参数。

3. 传感器数据融合与滤波

MPU6050的原始数据存在噪声,陀螺仪存在漂移，加速度计在动态下噪声大，我们采用 互补滤波 或 卡尔曼滤波 对两者数据进行融合。

• 互补滤波原理： 利用陀螺仪积分得到的角度（短期准确，长期漂移）和加速度计得到的角度（短期不准，长期稳定）进行加权融合，得到更准确的姿态角。
• 卡尔曼滤波： 更为高级的状态估计算法，能更有效地处理噪声，但计算量也更大，在STM32上实现了简化版的卡尔曼滤波，显著提高了角度解算的精度和稳定性。

4. 电机驱动与PWM计算

我们使用L298N驱动模块,通过控制其使能端和输入端的电平，实现电机的正转、反转和停止，控制量 u(t) 经过限幅后，转换为PWM的占空比，PWM的频率设置为20kHz以上，以减小电机噪音。

电路与程序设计

1. 硬件电路设计

（此处应附上详细的电路原理图，并用文字说明各模块的设计要点。）

1.1. 主控电路 以STM32F103ZET6为核心，包括最小系统电路（电源、晶振、复位）、SWD下载调试接口，PA0-PA7用于连接按键，PC0-PC3用于连接数码管段选，PD0-PD3用于连接数码管位选。

1.2. 传感器电路 MPU6056通过I2C接口（SCL-PA8, SDA-PA9）与STM32连接，VCC接3.3V，GND接地，为提高抗干扰性，I2C总线上接了4.7K的上拉电阻。

1.3. 电机驱动电路 L298N的IN1、IN2、IN3、IN4分别由STM32的4个GPIO口控制，ENA、ENB使能端由2路PWM输出控制，以实现转速调节，电源输入端接12V，逻辑供电端接5V。

1.4. 电源管理电路 使用两节18650锂电池串联提供12V电源，通过LM2596-5V降压模块得到5V，为L298N逻辑部分和数码管供电，再通过AMS1117-3.3V得到3.3V，为STM32和MPU6050供电，各路电源均并联了滤波电容，确保供电稳定。

2. 软件程序设计

（此处应附上软件流程图，并用文字说明主要模块的功能。）

2.1. 开发环境与总体流程 开发环境：Keil MDK 5.24。 软件采用 前后台系统 设计，主循环（后台）负责按键扫描、数码管显示、任务调度，定时器中断（前台）以固定频率（如1kHz）执行传感器数据读取、姿态解算、PID计算和PWM输出。

2.2. 传感器数据采集与处理程序 在定时器中断中，通过I2C读取MPU6050的加速度计和陀螺仪原始数据，调用 Kalman_Filter_Update() 函数进行数据融合，得到当前摆杆的俯仰角和横滚角。

2.3. 控制算法实现程序 根据当前任务模式（静止、画线等），设定目标角度或轨迹方程，在定时器中断中，将传感器反馈的角度与目标值比较，计算误差 e，调用 PID_Calculate() 函数，输出控制量 u。

2.4. 电机PWM输出与驱动程序 将PID输出的控制量 u 进行限幅（如-1000到1000），映射到PWM的占空比（如0%到100%），根据控制量的正负，设置GPIO口控制电机转向，并通过PWM定时器设置占空比，从而控制电机转速。

2.5. 任务调度与状态机设计 在主循环中，通过一个状态机来管理不同的任务模式，根据按键输入或串口指令，切换状态机的状态（如STATE_IDLE, STATE_BALANCE, STATE_DRAW_LINE等），并更新PID的目标值和控制逻辑。

系统测试与结果分析

1. 测试环境与仪器

• 测试平台： 标准竞赛风力摆底座、摆杆。
• 测试仪器： 直流稳压电源、数字万用表、卷尺、秒表、量角器。

2. 硬件模块测试

• 电源模块： 测量各路输出电压，均在正常范围内，且带载后稳定。
• 传感器模块： 静止时，MPU6050输出角度应为0度；旋转时，角度变化平滑，符合预期。
• 电机驱动模块： 单独上电测试，电机能正常正反转，转速随PWM占空比变化。

3. 软件功能测试

• PID控制测试： 手动拨动摆杆，系统能迅速将其拉回竖直位置，无震荡或超调过大。
• 任务切换测试： 通过按键切换不同任务模式，系统能正确响应并进入相应状态。

4. 系统整体性能测试

（此处应使用表格和图表展示测试数据。）

5. 测试结果分析与误差讨论

系统基本完成了所有要求的功能,主要误差来源包括：

1. 机械装配误差： 电机安装不完全对称，导致左右风力不均。
2. 传感器安装误差： MPU6056安装时与摆杆不完全垂直，导致角度解算存在固定偏差。
3. 算法局限性： PID控制是线性控制，对非线性系统控制效果有限，尤其是在高速运动时。
4. 环境干扰： 气流、桌面震动等外部因素对系统稳定性有影响。

本设计基于STM32微控制器,成功实现了一个高精度的风力摆控制系统，通过硬件选型、电路设计、软件编程和算法优化，系统在稳定性、精度和响应速度方面均达到了预期目标，实践证明，本方案可行，控制算法有效，为类似倒立摆控制系统的设计提供了有价值的参考。

参考文献

[1] 王晓明. 电动机的单片机控制[M]. 北京航空航天大学出版社, 2012. [2] 刘金琨. 先进PID控制MATLAB仿真(第3版)[M]. 电子工业出版社, 2011. [3] Invensense. MPU-6050 Product Specification Revision 3.4[EB/OL]. 2025. [4] STMicroelectronics. STM32F103xx Datasheet[EB/OL]. 2011.

附录

1. 系统完整电路原理图

（附上A3或A4大小的完整电路原理图）

2. 核心源代码清单

（附上关键部分的源代码，如PID函数、卡尔曼滤波函数、主程序和中断服务函数，并进行必要注释）

3. 实物照片

（附上系统各模块和整体实物的清晰照片）

[指导教师评语]

（此部分由指导教师填写）

[赛区评审意见]

（此部分由赛区评委填写）