簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置倒立排設(shè)計報告docx

本文格式為Word版，下載可任意編輯——簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置倒立排設(shè)計報告docx1題目及要求1.1題目簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及操縱裝置圖1-1旋轉(zhuǎn)倒立擺布局示意圖1.2要求1．根本要求（1）擺桿從處于自然下垂狀態(tài)（擺角0）開頭，驅(qū)動電機帶動旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)使擺桿搖擺，并盡快使擺角達成或超過-6060；

（2）從擺桿處于自然下垂狀態(tài)開頭，盡快增大擺桿的搖擺幅度，直至完成圓周運動；

（3）在擺桿處于自然下垂狀態(tài)下，外力拉起擺桿至接近165位置，外力撤除同時，啟動操縱旋轉(zhuǎn)臂使擺桿保持倒立狀態(tài)時間不少于5s；

期間旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動角度不大于90。

2．發(fā)揮片面（1）從擺桿處于自然下垂狀態(tài)開頭，操縱旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運動，盡快使擺桿擺起倒立，保持倒立狀態(tài)時間不少于10s；

（2）在擺桿保持倒立狀態(tài)下，施加干擾后擺桿能持續(xù)保持倒立或2s內(nèi)恢復(fù)倒立狀態(tài)；

（3）在擺桿保持倒立狀態(tài)的前提下，旋轉(zhuǎn)臂作圓周運動，并盡快使單方向轉(zhuǎn)過角度達成或超過360；

（4）其他。

2.方案選擇與對比2.1方案對比1．操縱系統(tǒng)方案的對比與選擇方案方案一采用大規(guī)?？删幊桃?guī)律器件。FPGA內(nèi)部具有獨立的I/O接口和規(guī)律單元，使用生動，適用性強，且相對單片機來說，還有速度快，外圍電路少，集成度高的特點，因此更加適用于繁雜規(guī)律電路設(shè)計。但是FPGA的本金偏高，算術(shù)運算才能不強，而且由于本設(shè)計對輸出處理的速度要求不高，所以FPGA高速處理的優(yōu)勢得不到充分表達方案二用模擬電路來產(chǎn)生電機的操縱信號。對于脈寬調(diào)制信號的脈寬變換，常用的一種方法是采用調(diào)制信號獲取有源濾波后的直流電壓，但是需要500Hz周期是2ms的信號，這對運放器件的選擇有較高要求，從電路體積和功耗考慮也不易采用5mV以上的操縱電壓的變化就會引起電機的抖動，對于機載的測控系統(tǒng)而言，電源和其他器件的信號噪聲都遠大于5mV，所以濾波電路的精度難以達成電機的操縱精度要求方案三采用DSP，DSP具有強大數(shù)據(jù)處理才能和高運行速度，且具有可編程性，需要模數(shù)轉(zhuǎn)換,采樣頻率的限制，處理頻率范圍有限數(shù)字系統(tǒng)由耗電的有源器件構(gòu)成，沒有無源設(shè)備穩(wěn)當。雖然其優(yōu)點遠遠超過缺點，但價格昂貴而且我們對其并不熟諳方案四用單片機作為電機的操縱單元。我們采用STM32F103RCT6，該款單片機資源豐富，16位的單片機使PWM信號的脈沖寬度實現(xiàn)微秒級的變化，從而提高電機的轉(zhuǎn)角精度單片機完成操縱算法，再將計算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM信號輸出到電機，由于單片機系統(tǒng)是一個數(shù)字系統(tǒng)，其操縱信號的變化完全依靠硬件計數(shù)，所以受外界干擾較小，整個系統(tǒng)工作可所以，綜上方案的對比，操縱系統(tǒng)選擇方案四2．角度傳感器的選擇方案方案一采用ADXL456三軸加速度作為角度傳感器來獲得X,Y,Z軸的加速度數(shù)據(jù)，利用X，Y軸加速度Tan（）函數(shù)算出夾角，通過算法計算出角度，從而操縱擺桿角度。但因數(shù)據(jù)更新慢，無法正確反應(yīng)角度，當電機啟動，擺桿搖擺，切向方向有加速，影響X軸方向的加速度，數(shù)據(jù)從而無法精確操縱擺的角度，而且受外界干擾對比大，所以放棄此方案。

搖臂軸承減速電機擺桿三軸加速度傳感器操縱板圖2-1三軸加速度計方案方案二采用電位器作為角度傳感器來測角度，通過擺角不同從而電阻不同，通過AD測出電壓值，角度與電壓值呈線性關(guān)系。該方案線性好，數(shù)據(jù)更新快，實時反映角度，從而精確擺角。更適合比賽。

搖臂角度傳感器減速電機擺桿操縱板圖2-2角度傳感器方案鑒于上面分析，角度傳感器采用方案二。

3．電機選擇方案方案一采用舵機的缺點是不利于調(diào)理速度，扭力小，不利于搖擺，所以放棄此方案。

方案二采用步進電機的優(yōu)點是價格低廉，缺點是動態(tài)性能很差，扭力小，所以加速度小，而且有震撼，放棄此方案。

方案三采用減速電機，具有永磁式和回響式的優(yōu)點，扭力大，加速快，易于桿的搖擺，適合比賽要求基于上面分析，電機選擇方案三。

4．電機驅(qū)動選擇方案方案一LM298電機驅(qū)動操縱原理簡樸，輸出波動小，線性好，對鄰近電路影響小。缺點功率器件工作在線性區(qū)，功率低和散熱問題嚴重，驅(qū)動功率小，而本系統(tǒng)電機功率大，而且壓降大，輕易發(fā)熱，影響驅(qū)動性能。

方案二場效應(yīng)管電機驅(qū)動電路具有內(nèi)阻微小、驅(qū)動功率大，開關(guān)速度快等諸多優(yōu)點。并且加散熱片很便當基于上面分析，電機驅(qū)動選擇方案二3.1系統(tǒng)的整體設(shè)計矩陣鍵盤LCD顯示器掃描顯示信息模式信息主控芯片反應(yīng)操縱角度傳感器減速電機方向PWM變更旋轉(zhuǎn)臂角度擺桿角度圖3-1系統(tǒng)整體圖本系統(tǒng)主控芯片采用STM32F103RCT6單片機，通過場效應(yīng)管電機驅(qū)動電路驅(qū)動減速電機。角度傳感器采集擺桿角度反應(yīng)給主控芯片，電機閉環(huán)操縱，實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)操縱。本系統(tǒng)附加了矩陣鍵盤模式選擇和LCD顯示兩個模塊，實現(xiàn)操縱模式選擇和信息的實時顯示。

3.2單元模塊的設(shè)計3.2.1單片機最小系統(tǒng)1.功能單片機最小系統(tǒng)作為系統(tǒng)的操縱中心，此次單片機采用STM32F103RCT6，本系統(tǒng)用到TIM1的定時中斷，A/D轉(zhuǎn)換。主要作用是采集角度傳感器數(shù)據(jù)，反應(yīng)閉環(huán)操縱電機轉(zhuǎn)動，檢測矩陣鍵盤的鍵位，操縱功能模式切換。

2.電路圖圖3-2單片機最小系統(tǒng)電路原理圖3.PCB圖圖3-3系統(tǒng)板PCB圖3.2.2角度傳感器本系統(tǒng)采用1K10圈的電位器（DOURNS3596）作為角度傳感器電位器的出腳作為擺桿的軸，擺桿轉(zhuǎn)動時，從而變更電位器的電阻阻值，通過單片機A/D測出電壓值，電阻值與角度呈線性關(guān)系，從而測出擺桿角度。

角度與電阻先行關(guān)系1000歐/（10圈*360度）0.2777歐/度Y0.2777*XX為度數(shù)，Y為電阻值電路接口連接圖圖3-4角度傳感器電路連接圖3.2.3減速電機驅(qū)動減速電機4個場效應(yīng)管相當于四個開關(guān)，P型管在柵極為低電平日導(dǎo)通，高電平日關(guān)閉；

N型管在柵極為高電平日導(dǎo)通，低電平日關(guān)閉。場效應(yīng)管是電壓操縱型元件，柵極通過的電流幾乎為“零”。

正由于這個特點，在連接好下圖電路后，操縱臂1置高電平（UVCC）、操縱臂2置低電平（U0）時，Q1、Q4關(guān)閉，Q2、Q3導(dǎo)通，電機左端低電平，右端高電平，所以電流沿箭頭方向滾動。設(shè)為電機正轉(zhuǎn)。

單片機PWM信號圖3-5步進電機的驅(qū)動操縱器構(gòu)成圖3-6減速電機驅(qū)動電路3.2.4電源電路功能為單片機工作供給電源1.電路圖圖3-75V供電系統(tǒng)圖3-83.3V供電系統(tǒng)4.算法分析4.1倒立擺物理受力分析F3F1F2mg圖4-1受力分析圖倒立擺之所以不能穩(wěn)定在垂直位置，就是由于在它偏離平衡位置的時候，所受到的回復(fù)力與位移方向一致。因此，倒立擺便會加速偏離垂直位置，直到倒下。那么，如何使倒立擺穩(wěn)定在垂直位置呢要達成這一目的，只有兩個手段一是通過操縱使得倒立擺能夠倒立平衡，二是增加額外的受力使得恢復(fù)力與位移方向相反。鮮明能夠做到的只有其次種方法。

操縱倒立擺搖臂，使得它作加速運動，這樣站在搖臂上（非慣性系，以擺軸作為坐標原點）為分析倒立擺受力，它就會受到額外的慣性力，該力與搖臂的加速度方向相反，大小成正比。這樣倒立擺所受到的回復(fù)力為Fmgsinθ-macosθ≈mgθ-mk1θ2-1式中，由于θ很小，所以舉行了線性化。假設(shè)負反應(yīng)操縱是擺成正比，比例為。假設(shè)比例（重力加速度），那么回復(fù)力的方向便于位移方向相反了。

此外，為了使得倒立擺能夠盡快地在垂直位置穩(wěn)定下來，還需要增加阻尼力。雖然存在著空氣和摩擦力等阻尼力，相對阻尼力對比小。因此需要另外增加操縱阻尼力。增加的阻尼力與偏角的速度成正比，方向相反。因此式（2-1）可變?yōu)镕mgθ-mk1θ-mk2θ?（2-2）按照上面的操縱方法，可把倒立擺模型變?yōu)閱螖[模型，能夠穩(wěn)定在垂直位置。因此可得操縱搖臂加速度的操縱算法ak1θk2θ?（2-3）式中，θ為擺傾角；

θ?為角速度；

k1、k2均為比例系數(shù)；

兩項相加后作電機加速度的操縱量。只要保證在條件下，可以使得倒立擺像單擺一樣維持在直立狀態(tài)。式子中有兩個操縱參數(shù)，抉擇了倒立擺是否能夠穩(wěn)定到垂直平衡位置，它務(wù)必大于重力加速度；

抉擇了倒立擺回到垂直位置的阻尼系數(shù)，選取適合的阻尼系數(shù)可以保證倒立擺倒立盡快穩(wěn)定在垂直位置。

假設(shè)倒立擺模簡化成高度為L，質(zhì)量為m的簡樸倒立擺。假設(shè)外力干擾引起倒立擺產(chǎn)生角加速度小Xt。以及外力干擾加速度atxt之間的運動方程.對應(yīng)擺桿靜止時，系統(tǒng)輸入輸出的傳遞函數(shù)為Hs?（s）xs1s2-gl（2-4）此時系統(tǒng)具有兩個極點sgl（2-5）一個極點位于s平面的右半平面，因此倒立擺不穩(wěn)定。倒立擺引入比例、微分反應(yīng)之后的系統(tǒng)如下圖所示圖4-2反應(yīng)系統(tǒng)框圖系統(tǒng)傳遞函數(shù)為Hsθsxs1s2k2lsk1-gL（2-6）此時兩個系統(tǒng)極點位于sp-k2k2-4lk1-g2l（2-7）系統(tǒng)穩(wěn)定需要兩個極點都位于s平面的左半平面。要得志這一點，需要這一點，需要K1〉g,k20由此可以得出結(jié)論倒立擺可以穩(wěn)定。

在角度反應(yīng)操縱中，與角度成比例的操縱量是稱為比例操縱；

與角速度成比例的操縱量稱為微分操縱（角速度是角度的微分）。因此上面系數(shù)分別稱為比例和微分操縱參數(shù)。其中微分參數(shù)相當于阻尼力，可以有效抑制倒立擺震蕩。通過微分抑制操縱震蕩的思想在后面的速度和方向操縱中也同樣適用。

總結(jié)操縱擺桿直立穩(wěn)定的條件