STM32控制下的闭环风力摆系统：PID算法与姿态监控

全国大学生电赛B题风力摆项目是一款基于STM32单片机为核心的闭环控制系统，其核心功能是通过姿态采集模块（如MPU-6050陀螺仪）实时监控风力摆的运动状态，包括姿态角（pitch, roll, yaw）和角速度，然后利用PID（比例-积分-微分）算法来精确控制轴流电机的转速，从而实现风力摆的稳定控制。该系统的设计主要包括以下几个关键部分： 1. **硬件组件**： - STM32单片机（STM32f103）：作为系统的中央处理器，负责数据处理和控制命令的发送。 - MPU-6050陀螺仪传感器：用于采集风力摆的姿态信息，包括角度和角速度数据。 - 轴流电机：执行PID算法调整后的转速指令，驱动风力摆的运动。 - 人机交互系统：可能包括LED灯和OLED显示屏，用于显示当前状态和设定参数。 - 风力摆机械结构：承载电机和陀螺仪，完成实际的摆动动作。 2. **软件部分**： - **PID控制器**：采用四个不同的PID函数，分别针对pitch, roll, yaw角度和风向控制。PID算法是一种常用的控制策略，它结合了比例（proportional）、积分（integral）和微分（derivative）反馈，能有效地减小误差并保持系统稳定。 - `pid()`、`pid2()`、`pid4r()` 和 `pid4p()` 函数：分别处理pitch, roll, yaw的PID控制过程，根据设定的setpoint（目标值）与当前姿态角的差值进行计算，并根据PID公式生成电机的控制信号（output）。 - `fabs()` 函数：用于获取数值的绝对值，确保在计算误差时不会受到正负号的影响。 3. **变量声明和初始化**： - `float setpoint`：预设的目标姿态或风向值。 - `zk1`, `zk2`, `zk3`, `zk4`：可能代表某种计数器或者阈值，用于辅助控制流程。 - `pitch`, `roll`, `yaw`：风力摆的实际姿态角。 - `temp`：可能是临时存储或处理的中间结果。 - `et`, `et2`, `etsum`, `det`, `output` 等：PID控制中的内部变量，用于计算误差、积分项、微分项和最终输出信号。 - `kp`, `ki`, `kd`：PID控制器的三个系数，决定控制的响应速度、积分作用和抗干扰能力。 4. **控制流程**： - 在每个PID函数中，首先计算误差（setpoint与当前姿态的差异），然后根据PID算法更新误差的积分和微分项。 - 根据误差大小调整输出信号，对于较大的误差，输出信号会增大；当误差减小时，逐渐减少输出以保持稳定。 - 为了防止过度调整，当角度变化小于某个阈值（如2度）时，设置固定输出值，以保证系统的稳定性和鲁棒性。 这个程序是全国大学生电赛B题的具体实现，参赛者需要理解和运用单片机编程、传感器技术、PID控制理论以及闭环控制系统的知识来设计和调试这个系统，确保风力摆能够按照预期准确地响应风力的变化。