一种风力摆玩具及使用方法技术

一种风力摆玩具，主要包括受控主体、角度检测模块、控制驱动模块、人机交互模块；通过驱动风机，来实现按要求完成空中悬停、自定义摆动、通过低输出激光笔（功率小于0.4mW）画线、画几何图形等运动控制功能。可以将自动化控制理论等学科知识“寓教于乐，寓学于乐”，同时在经济性、实用性上又适合青少年的玩具。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种风力摆玩具及使用方法，可用于幼儿或青少年的日常娱乐休闲，对学习自动化控制理论知识具有学前启蒙的作用，属于教学玩具领域。
技术介绍
风力摆玩具的工作原理具有较为典型的自动化控制理论特点，其控制方法多种多样。深入研究，在许多工程
都有着广阔的开发前景。其中的控制原理对于人们处理工业工程，同样存在借鉴。目前，能结合自动化控制理论的知识，同时又适用于幼儿或青少年使用的玩具较少且成本较高。本专利技术在具有玩具趣味性的同时，较好的结合了理论和实践，让使用者享受玩具本身带来的乐趣，并受到一定的自动化控制理论学前启蒙教育熏陶。本专利技术是一款能具有“寓教于乐，寓学于乐”特点的玩具，具有经济性、实用性和新颖性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种可以将自动化控制理论等学科知识“寓教于乐，寓学于乐”，同时在经济性、实用性上又适合青少年的玩具。一种风力摆玩具，通过驱动风机，来实现按要求完成空中悬停、自定义摆动、通过低输出激光笔（功率小于0.4mW）画线、画几何图形等运动控制功能（运动时把风机组近似为质点）。一种风力摆玩具，主要包括受控主体、角度检测模块、控制驱动模块、人机交互模块；受控主体由支架、万向节、刚体细管、风机组、低输出激光笔（功率小于0.4mW）、具有角度和长度刻度的同一圆心的圆环组成的参考图（以下简称为参考图）构成；其中刚体细管、风机组、低输出激光笔（功率小于0.4mW）构成了风力摆单元（以下简称为风力摆）。角度检测模块使用型号为MPU6050的测角度模块，实时的将风力摆的角度信息反馈到控制驱动模块；控制驱动模块包括单片微控制器（以下简称为MCU）单元、电机驱动单元；MCU单元在工作中负责计算相应的电机控制量，由电机驱动单元直接驱动风机组；人机交互模块包括参数设定单元、液晶显示单元、语音提示单元；角度检测模块实时反馈风力摆角度信息，MCU单元通过液晶显示单元显示角度实时值和当前风力摆状态；MCU单元根据反馈和参数设定单元的设定值，通过PID算法计算电机驱动量；电机驱动单元根据相应占空比的PWM波，驱动电机来实现摆动；最终，在风力摆达到目标后语音提示单元进行语音提示。以上模块均采用5V电压供电，增加了安全性。一种风力摆玩具的使用方法，具体包括如下步骤：步骤一.对角度检测模块、控制驱动模块、人机交互模块进行初始化；步骤二.人机交互模块中的参数设定单元输入控制要求或控制参数，人机交互模块将输入控制量发送至控制驱动模块中的MCU单元，MCU单元根据控制量和角度检测模块实时反馈的当前量计算并产生相应占空比的PWM波，通过PWM波驱动电机驱动单元控制电机转速；其中MCU单元具体工作如下：打开MCU单元中的MCU的定时器和中断，输出相应的PWM波，通过电机驱动单元驱动电机，使风力摆摆动；同时角度检测模块测量摆杆的角度，并实时将数据传送给MCU单元；同时MCU单元发送摆杆的目标角度信息，并对摆杆目标角度信息与摆杆当前角度进行比较，使用PID算法对摆杆进行稳定控制；MCU单元实时检测角度检测模块发送的摆杆目标角度信息，并根据收到的摆杆目标角度信息随时更改PID控制算法数据和控制摆杆的摆动；步骤三.角度检测模块实时检测风力摆角度信息，并将风力摆角度信息发送给控制驱动模块，控制驱动模块将风力摆角度信息发送给人机交互模块；人机交互模块中的液晶显示单元显示风力摆角度信息；语音提示单元在风力摆实现要求时，进行语音提示。本专利技术所具有的有益效果：（1）现有的玩具大多偏向于强调趣味性，而缺乏实用性和教育性。本专利技术结合了趣味性，同时兼具教学和进行简单自动化控制实验的功能。更适合青少年使用，可以更好地实现“寓教于乐，寓学于乐”理念。（2）本专利技术在设计上就有机地结合了自动化控制理论、人机交互理论等当前热门的学科知识，对使用者具有一定的启蒙作用，利于青少年增强动手能力和培养良好的兴趣。同时，本专利技术结构简单，成本较低，容易推广销售。附图说明图1是本专利技术的简化实例图；图2是本专利技术的连接框图；图3是本专利技术实例提供的角度检测模块中MPU6050芯片的电路图；图4是本专利技术实例提供的MCU单元中LM3S1138芯片的的电路图；图5是本专利技术实例提供的电机驱动单元中HIP4082芯片的电路图；图6是本专利技术实例提供的参数设定单元中ZLG7290串行输入输出可编程键盘/显示芯片组成的按键电路的电路图；图7是本专利技术实例提供的液晶显示单元中LCD12864液晶显示屏的电路图；图8是本专利技术实例提供的语音提示单元中ZY1730语音芯片的电路图；图9是本专利技术的工作流程图。具体实施方式：下面结合附图对本专利技术进一步说明。如图1所示，一种风力摆玩具的简化实例，主要展示了本专利技术的受控主体部分；其中AB、CD、EF均为支架的加固用部件，细管（刚体材料）作为摆杆，其上端通过万向节连接支架，下端安装有4个空心杯电机按十字向外排列组成的风机组，在风机组底面正下方安装有一支垂直于风机组底面几何中心的低输出激光笔（功率小于0.4mW）；万向节使细管及安装在细管上的风机组等可以连接着支架的同时，可以较自由的做运动；低输出激光笔（功率小于0.4mW）的红色光线配合平铺在风机组正下方的参考图上的刻度信息，可以直观地在视觉上反映风力摆的角度、位置信息。如图2所示，本专利技术还包括1角度检测模块、2-1MCU单元、2-2电机驱动单元、3-1参数设定单元、3-2液晶显示单元、3-3语音提示单元；其中2-1、2-2构成控制驱动模块，3-1、3-2、3-3构成人机交互模块。优选地，角度检测模块采用了MPU6050芯片。MPU6050芯片是全球首例整合3轴加速度计和3轴陀螺仪的6轴模块，相较于多组件方案，减少了大量的封装空间；其在使用中，测量范围可以根据需要进行选择，控制简单、方便，芯片成本也在接受范围之内。MPU6050芯片电路图，如图3所示。工作中，角度检测模块实时地把风力摆的角度信息反馈给控制驱动模块中的MCU单元。优选地，MCU单元采用LM3S1138芯片作为主控制器。LM3S1138芯片是基于ARMCortex-M3处理器内核的一款高性能、具有丰富管脚和良好兼容性的芯片。LM3S1138芯片电路图，如图4所示。工作中，MCU单元根据角度检测模块反馈的风力摆角度信息，结合参数设定单元中输入的目标信息，采用PID算法进行计算，根据需求控制量的不同，生成相应的PWM波，并传达至电机驱动单元，以此实时地控制风机组运动。图5为电机驱动单本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风力摆玩具，主要包括受控主体、角度检测模块、控制驱动模块、人机交互模块；受控主体由支架、万向节、刚体细管、风机组、低输出激光笔（功率小于0.4mW）、具有角度和长度刻度的同一圆心的圆环组成的参考图构成；其中刚体细管、风机组、低输出激光笔（功率小于0.4mW）构成了风力摆单元；角度检测模块使用型号为MPU6050的测角度模块，实时的将风力摆的角度信息反馈到控制驱动模块；控制驱动模块包括单片微控制器单元、电机驱动单元；MCU单元在工作中负责计算相应的电机控制量，由电机驱动单元直接驱动风机组；人机交互模块包括参数设定单元、液晶显示单元、语音提示单元；角度检测模块实时反馈风力摆角度信息，MCU单元通过液晶显示单元显示角度实时值和当前风力摆状态；MCU单元根据反馈和参数设定单元的设定值，通过PID算法计算电机驱动量；电机驱动单元根据相应占空比的PWM波，驱动电机来实现摆动；最终，在风力摆达到目标后语音提示单元进行语音提示；以上模块均采用5V电压供电。

【技术特征摘要】
1.一种风力摆玩具，主要包括受控主体、角度检测模块、控制驱动模块、人机交互模块；
受控主体由支架、万向节、刚体细管、风机组、低输出激光笔（功率小于0.4mW）、具有角
度和长度刻度的同一圆心的圆环组成的参考图构成；其中刚体细管、风机组、低输出激光笔
（功率小于0.4mW）构成了风力摆单元；
角度检测模块使用型号为MPU6050的测角度模块，实时的将风力摆的角度信息反馈到
控制驱动模块；
控制驱动模块包括单片微控制器单元、电机驱动单元；MCU单元在工作中负责计算相应
的电机控制量，由电机驱动单元直接驱动风机组；
人机交互模块包括参数设定单元、液晶显示单元、语音提示单元；角度检测模块实时反
馈风力摆角度信息，MCU单元通过液晶显示单元显示角度实时值和当前风力摆状态；MCU单
元根据反馈和参数设定单元的设定值，通过PID算法计算电机驱动量；电机驱动单元根据相
应占空比的PWM波，驱动电机来实现摆动；最终，在风力摆达到目标后语音提示单元进行语
音提示；以上模块均采用5V电压供电。
2.如权利要求1所述的一种风力摆玩具的使用方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤一.对角度检测模...

【专利技术属性】
技术研发人员：金余义，叶文斌，吴万特，
申请(专利权)人：青岛工学院，
类型：发明
国别省市：山东;37