全國電子設(shè)計大賽旋轉(zhuǎn)倒立擺

1、目錄第一章系統(tǒng)方案比較與選擇1.1 總實現(xiàn)方案1.2 主控制器方案比較與選擇第二章理論分析與計算2.1 編碼器脈沖轉(zhuǎn)換角度設(shè)計2.2 搖擺及圓周算法設(shè)計2.3 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及電機選型2.4 PID算法設(shè)計第三章系統(tǒng)電路設(shè)計3.1 系統(tǒng)主板工作原理第四章系統(tǒng)程序設(shè)計3.2 系統(tǒng)總體模塊圖3.3 系統(tǒng)總流程圖第五章系統(tǒng)測試與結(jié)果5.1 傳感器角度測試5.2 搖擺及圓周運動測試5.3 倒立擺測試第六章誤差分析6.1 整體的誤差分析6.2 軟件引起的算法誤差分析第七章參賽感悟摘要本設(shè)計綜合考慮基礎(chǔ)部分和發(fā)揮部分要點，采用mega128a為主控芯片，BTS7960驅(qū)動電機并在程序中涉及到pid算法對電機

2、進行調(diào)控，在設(shè)計中，我們采用1000線編碼器為角度傳感器。在該簡單控制裝置中，我們實現(xiàn)了擺動，圓周運動和短時間的自動控制下的倒立。關(guān)鍵字：倒立擺，mega128a,編碼器第一章系統(tǒng)方案比較與選擇1.1 總實現(xiàn)方案方案一：用陀螺儀和加速度計通過卡爾曼數(shù)據(jù)融合得到角度，用此處的角度為載體用單片機進行數(shù)據(jù)處理，并調(diào)整電機。方案二：用電位器做角度傳感，通過單片機自帶ADO讀取電位數(shù)值以此為依據(jù)來判斷角度，并調(diào)整電機。方案三：用編碼器做角度傳感器，通過讀取編碼器的輸出脈沖來計算角度傳感器的輸出角度，用此角度做處理調(diào)整電機。通過對兩個方案的對比選擇，方案一中的加速度計和陀螺儀算法實現(xiàn)復雜，我們在融入卡爾曼

3、濾波后有明顯濾波效果，但是由于圓周運動，會使得各個方向軸返回的數(shù)據(jù)出錯，且波動大，會減弱卡爾曼的濾波效果，對于pid的精準調(diào)整還是遠遠達不到預期。在方案二中，考慮到電位器內(nèi)部結(jié)構(gòu)問題，雖然理論上電位器在轉(zhuǎn)動過程中是線性的，但是考慮到每次?？康碾娮栉豢赡軙a(chǎn)生誤差，最后考慮到我們最終選定的單片機ADCR有10位，在方案三中，由于實現(xiàn)編碼器的功能實現(xiàn)方便簡單，并能更多的趨近于精確值，因此最后我們采用了方案三。1.2 主控制器方案比較與選擇為了完成在短時間快速采集并計算角度，主控器件必須有較高的CPU工作頻率和存儲空間。方案一：采用51系列加強型STC12C5A60S2為主控器件，用來實現(xiàn)題目所要求

4、的各種功能。此方案最大的特點是系統(tǒng)規(guī)?？梢宰龅煤苄。杀据^低。操作控制簡單。但是，我們在利用單片機處理高速信號快速掃描及電機控制時顯得吃力，51系列單片機很難實現(xiàn)這一要求。方案二：采用ATME公司的AVR系歹UATMEGA128A片機為核心控制器件，MEGA128A有8個外部中斷，中斷系統(tǒng)豐富，并且有128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash,我們對它的性能和指標相對也較為熟悉，如此能夠?qū)崿F(xiàn)快速掃描和數(shù)據(jù)處理！按照題目的要求，綜合考慮我們最終選擇了方案二，采用ATMEGA128A片機為核心控制器件。第二章理論分析與計算2.1 編碼器脈沖轉(zhuǎn)換角度設(shè)計在單片機中，我們開啟外部0中斷，在AVRS列單片機中

5、外部0中斷的中斷優(yōu)先級最高，以此我們可以得到較為精確的角度。由于我們使用的編碼器為1000線編碼器，所以每一個脈沖的角度值為0.36，所以在計算時即使丟步也不會很大的影響角度值，我們在后面做過的實驗測試中，也證明了我們的想法。2.2 搖擺及圓周算法設(shè)計我們通過對整體的系統(tǒng)建模，在查閱資料當中，根據(jù)單擺定律，擺桿的擺動雖然在衰減但是擺動的周期相同，所以在基礎(chǔ)要求中的搖擺和圓周運動中，只要在擺桿在正弦我們對單擺系統(tǒng)實測波形如下，所以依據(jù)我們分析，當每次施力點在每次過峰值的時候既可以累加力的作用效果，以此來完成搖擺和圓周運動。圖2-22.3 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及電機選型圖2-3以上是我們機械結(jié)構(gòu)的仿真圖。

6、在電機選型中，我們首先想到步進電機很便于角度控制，但是由于步進電機反應較慢，所以我們沒有考慮，對于普通的直流電機雖然其反應快但調(diào)速性能差，另外我們還可以選擇減速電機和直流伺服電機，直流伺服電機調(diào)速性，啟動和制動都很有優(yōu)勢但是價格昂貴，最后在考慮到經(jīng)濟適用性方面，我們選擇了帶有減速箱的減速電機。在這個簡易擺裝置中，我們選用400轉(zhuǎn)減速電機，型號為JH37-555，額定功率為15W，力矩為30Kgf.cm,由于轉(zhuǎn)矩T=9550*P/n=716.25NJ-n電機中心距離轉(zhuǎn)臂245mm電機轉(zhuǎn)矩已經(jīng)足夠大，完全可以帶動所要帶的物體。另外，由于該系統(tǒng)中電機要在短時間內(nèi)順逆時針轉(zhuǎn)動，所以系統(tǒng)要達到很高要求的

7、穩(wěn)定性，所以我們在選擇裝置的底盤和支架選用了較為穩(wěn)固的粗木。在轉(zhuǎn)臂與擺桿連接處我們選用了歐姆龍1000線編碼器，編碼器的軸與軸承相連接，也解決了擺桿與轉(zhuǎn)臂的連接問題。在機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計當中我們一共修正了3次基本構(gòu)架，也經(jīng)歷了很多次的調(diào)整，在這個過程中也確定了最終的最穩(wěn)定的構(gòu)架。PID2.4 PID算法設(shè)計為了實現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)角度控制，我們又采用電機轉(zhuǎn)動范圍限制，同樣的采用增量式控制算法，且結(jié)合我們單片機的速度限制（8位，16MhN,電機旋轉(zhuǎn)角度測量會存一定的的偏差，因此我們整定了P、I兩個參數(shù)，減小了因測量誤差計算出來的PID偏差。采集回來的擺軸角度和主軸旋轉(zhuǎn)角度，經(jīng)PID反饋回來的數(shù)據(jù)進行融合，以

8、PWM空比的形式直接輸入到減速直流電機上面。從而達到目標控制。PID參數(shù)整定：由于我們在物理結(jié)構(gòu)，以及力學方面的知識薄弱，因此我們采用了反復整定確定系數(shù)的辦法，首先，我們控制I、D為零，控制P參數(shù)，知道系統(tǒng)對輸入階躍響應出現(xiàn)零界振蕩，記下這時的比例系數(shù)和零界震蕩周期，在此基礎(chǔ)上將該系數(shù)乘以6070%,在調(diào)節(jié)I參數(shù)，同樣的方法，調(diào)節(jié)D參數(shù)，知道系統(tǒng)穩(wěn)定。增量型控制:皤量型PID置法的程序流程控制流程:公式：程序框圖:第三章系統(tǒng)電路設(shè)計3.1系統(tǒng)主板工作原理系統(tǒng)主板主要由5V電源模塊，3.3V電源模塊，蜂鳴器模塊，以及ATMEGA128A片機為核心控制模塊按。5V電源模塊：此設(shè)計采用12V開關(guān)電源

9、供電，通過穩(wěn)壓芯片LM2576一腳輸入三腳輸出將12V輸入轉(zhuǎn)變?yōu)?V輸出，來給單片機供電3.3V電源模塊：3.3V電源輸出是由AM1117急壓芯片三腳輸入5V二腳輸出來進行轉(zhuǎn)換按鍵模塊：本系統(tǒng)板中設(shè)計了四個按鍵，通過按鍵來對不同功能來進行切換演示。（外接）液晶模塊：液晶模塊采用NOKIA5110夜晶來顯示，NOKIA5110夜晶具有功能強大，連接簡單等優(yōu)勢。（外接）圖3-1系統(tǒng)主板工作原理圖第四章系統(tǒng)程序設(shè)計4.1 系統(tǒng)總體模塊圖4.2 系統(tǒng)總流程圖第五章系統(tǒng)測試與結(jié)果5.1 傳感器角度測試我們在進行測試時為了保證角度的正確性，我們每將擺桿轉(zhuǎn)動一個圓周或者多個圓周最后在擺桿垂直的角度為對360

10、度求余即為0度，所以我們對編碼器測量角度進行了測量以便分析其誤差測量次數(shù)轉(zhuǎn)動一個圓周轉(zhuǎn)動兩個圓周轉(zhuǎn)動三個圓周綜合誤差102-10.83%21020.83%300-10.27%40-200.56%501-31.11%60-120.83%5.2 搖擺及圓周運動測試我們在調(diào)試好后，對擺桿的搖擺進行測試，主要是針對擺桿起振到60度及以上角度的時間進行了統(tǒng)計分析。（該數(shù)據(jù)由秒表測量得到，角度由簡易量角器測得）測量次數(shù)穩(wěn)定時間穩(wěn)定角度13.7s60J更小于90度24.2s60J更小于90度34.0s大于90度43.8s60J更小于90度54.0s等于90度63.7s60J更小于90度由以上數(shù)據(jù)可知，搖擺測

11、試中該裝置基本穩(wěn)定我們同時也對擺桿進行了圓周運動的測試，主要是針對圓周運動的穩(wěn)定性進行了測試統(tǒng)計分析。（該數(shù)據(jù)由秒表測量得到）測量次數(shù)穩(wěn)定時間備注15.3s成功進入圓周狀態(tài)24.8s成功進入圓周狀態(tài)35.5s未成功進入圓周狀態(tài)一45.0s成功進入圓周狀態(tài)55.3s成功進入圓周狀態(tài)65.2s成功進入圓周狀態(tài)由以上數(shù)據(jù)可以，我們裝置的圓周運動也是基本穩(wěn)定的，但是在測試中出現(xiàn)了一次未成功進入的圓周運動狀態(tài)，我們分析是，由于在程序中我們要求每次起振要從0度開始,由于測量中的疏忽，我們沒有等到擺桿靜止就進入了測試，由此而產(chǎn)生的錯誤。5.3 倒立擺測試我們對倒立擺主要進行了擺桿穩(wěn)定時間測試，以此分析我們的

12、裝置在倒立擺過程中的穩(wěn)定性。第一項測試是在人為將擺桿樹直在165度到-165度范圍內(nèi)，待擺桿直立后的穩(wěn)定時間。測量次數(shù)穩(wěn)定時間備注1E5s穩(wěn)定2大于5s穩(wěn)定3K5s穩(wěn)定4大于5s穩(wěn)定5E5s穩(wěn)定6E5s穩(wěn)定我們對倒立擺又進行碰撞測試（用15cm擺線綁定，將擺線拉至45度）測量次數(shù)碰撞祛碼重里穩(wěn)定狀態(tài)備注14.88g穩(wěn)定24.88g穩(wěn)定34.88g穩(wěn)定47.22g穩(wěn)定5P7.22g穩(wěn)定67.22g穩(wěn)定從以上數(shù)據(jù)可以看出，我們的倒立擺系統(tǒng)也是相對穩(wěn)定的第六章誤差分析6.1 整體的誤差分析由于我們在本次設(shè)計中采用編碼器為1000線編碼器，理論上每轉(zhuǎn)一圈要進入外部中斷1000次，所以在程序中很有可能出現(xiàn)掉步或者錯步的。但是由于我們采用的編碼器線數(shù)較高，所以即使丟步也能基本滿足要求。為了減小誤差，我們將編碼器接到了最高優(yōu)先級別的外部中斷0中，所以也基本能滿足要求。6.2 軟件引起的算法誤差分析由于增量式PID輸出的是控制量增量，如果采集系統(tǒng)出現(xiàn)故障，誤動作影響較小，而執(zhí)行機構(gòu)本身有記憶功能，可仍保持原位，不會嚴重影響系統(tǒng)的工作，而位置式的輸出直接對應對象的輸出，因此對系統(tǒng)影響較大，因此我們的角度PID采用了增量式PID算法