2013年全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽旋轉(zhuǎn)倒立擺

1、目錄 第一章系統(tǒng)方案比較與選擇3 1.1總實(shí)現(xiàn)方案3 1.2主控制器方案比較與選擇3 第二章理論分析與計(jì)算5 2.1編碼器脈沖轉(zhuǎn)換角度設(shè)計(jì)5 2.2搖擺及圓周算法設(shè)計(jì)5 2.3機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及電機(jī)選型6 2.4 PID算法設(shè)計(jì)7 第三章系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)9 3.1系統(tǒng)主板工作原理9 第四章系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)10 4.1系統(tǒng)總體模塊圖10 4.2系統(tǒng)總流程圖10 第五章系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果11 5.1傳感器角度測(cè)試11 5.2搖擺及圓周運(yùn)動(dòng)測(cè)試11 5.3倒立擺測(cè)試12 第六章誤差分析13 6.1整體的誤差分析13 6.2軟件引起的算法誤差分析13 第七章參賽感悟14 本設(shè)計(jì)綜合考慮基礎(chǔ)部分和發(fā)揮部分要點(diǎn)，采用me

2、gal28a為主 控芯片，BTS7960驅(qū)動(dòng)電機(jī)并在程序中涉及到pid算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)控，在設(shè)訃 中，我們采用1000線編碼器為角度傳感器。在該簡(jiǎn)單控制裝置中，我們實(shí)現(xiàn)了 擺動(dòng)，圓周運(yùn)動(dòng)和短時(shí)間的自動(dòng)控制下的倒立。 關(guān)鍵字：倒立擺，megal28a,編碼器 第一章系統(tǒng)方案比較與選擇 11總實(shí)現(xiàn)方案 方案一：用陀螺儀和加速度計(jì)通過(guò)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(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并調(diào)整電機(jī)。 方案二：用電位器做角度傳感，通過(guò)單片機(jī)自帶ADC來(lái)讀取電位數(shù)值以此 為依據(jù)來(lái)判斷角度，并調(diào)整電機(jī)。 方案三：用編碼器做角度傳感器，通過(guò)讀取編碼器的輸出脈沖來(lái)計(jì)算角度 傳感器的輸出角度，用此角

3、度做處理調(diào)整電機(jī)。 通過(guò)對(duì)兩個(gè)方案的對(duì)比選擇，方案一中的加速度計(jì)和陀螺儀算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜, 我們?cè)谌谌肟柭鼮V波后有明顯濾波效果，但是山于圓周運(yùn)動(dòng)，會(huì)使得各個(gè)方 向軸返回的數(shù)據(jù)出錯(cuò)，且波動(dòng)大，會(huì)減弱卡爾曼的濾波效果，對(duì)于pid的精準(zhǔn) 調(diào)整還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)期。在方案二中，考慮到電位器內(nèi)部結(jié)構(gòu)問(wèn)題，雖然理 論上電位器在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中是線性的，但是考慮到每次停鼎的電阻位可能會(huì)產(chǎn)生 誤差，最后考慮到我們最終選定的單片機(jī)ADC只有10位，在方案三中，山于實(shí) 現(xiàn)編碼器的功能實(shí)現(xiàn)方便簡(jiǎn)單，并能更多的趨近于精確值，因此最后我們采用 了方案三。 12主控制器方案比較與選擇 為了完成在短時(shí)間快速采集并計(jì)算角度，主控器件必

4、須有較高的CPU工 作頻率和存儲(chǔ)空間。 方案一：采用51系列加強(qiáng)型STC12C5A60S2作為主控器件，用來(lái)實(shí)現(xiàn)題U 所要求的各種功能。此方案最大的特點(diǎn)是系統(tǒng)規(guī)?？梢宰龅煤苄。杀据^低。 操作控制簡(jiǎn)單。但是，我們?cè)诶脝纹瑱C(jī)處理高速信號(hào)快速掃描及電機(jī)控制時(shí) 顯得吃力，51系列單片機(jī)很難實(shí)現(xiàn)這一要求。 方案二：采用ATMEL公司的AVR系列ATMEGA128A單片機(jī)為核心控制器件， MEGA128A有8個(gè)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(duì)它的性能和指標(biāo)相對(duì)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LI的要求，綜合考慮我們最終選擇了方案二，采用

5、ATMEGA128A單片 機(jī)為核心控制器件。 第二章 理論分析與計(jì)算 2.1編碼器脈沖轉(zhuǎn)換角度設(shè)計(jì) 在單片機(jī)中，我們開(kāi)啟外部0中斷，在AVR系列單片機(jī)中外部0 中斷的中斷優(yōu)先級(jí)最高，以此我們可以得到較為精確的角度。山于我們使用的 編碼器為1000線編碼器，所以每一個(gè)脈沖的角度值為0.36,所以在計(jì)算時(shí)即 使丟步也不會(huì)很大的影響角度值，我們?cè)诤竺孀鲞^(guò)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，也證明了我 們的想法。 22搖擺及圓周算法設(shè)計(jì) 我們通過(guò)對(duì)整體的系統(tǒng)建模，在查閱資料當(dāng)中，根據(jù)單擺定律， 擺桿的擺動(dòng)雖然在衰減但是擺動(dòng)的周期相同，所以在基礎(chǔ)要求中的搖擺和圓周 運(yùn)動(dòng)中，只要在擺桿在正弦我們對(duì)單擺系統(tǒng)實(shí)測(cè)波形如下，所以依據(jù)

6、我們分析, 當(dāng)每次施 力點(diǎn)在每次過(guò)峰值的時(shí)候既可以累加力的作用效果，以此來(lái)完成搖擺和圓周運(yùn) 動(dòng)。 圖2-2 23機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及電機(jī)選型 圖2-3 以上是我們機(jī)械結(jié)構(gòu)的仿真圖。 在電機(jī)選型中，我們首先想到步進(jìn)電機(jī)很便于角度控制，但是山于步進(jìn)電 機(jī)反應(yīng)較慢，所以我們沒(méi)有考慮，對(duì)于普通的直流電機(jī)雖然其反應(yīng)快但調(diào)速性 能差，巧外我們還可以選擇減速電機(jī)和直流伺服電機(jī)，直流伺服電機(jī)調(diào)速性， 啟動(dòng)和制動(dòng)都很有優(yōu)勢(shì)但是價(jià)格昂貴，最后在考慮到經(jīng)濟(jì)適用性方面，我們選 擇了帶有減速箱的減速電機(jī)。 在這個(gè)簡(jiǎn)易擺裝置中，我們選用400轉(zhuǎn)減速電機(jī)，型號(hào)為JH37-555,額 定功率為15W,力矩為30Kgf. cm,由于

7、轉(zhuǎn)矩 *9550 * p / n= 716. 25Nm,電 機(jī)中心距離轉(zhuǎn)臂245mm,電機(jī)轉(zhuǎn)矩已經(jīng)足夠大，完全可以帶動(dòng)所要帶的物體。 另外，由于該系統(tǒng)中電機(jī)要在短時(shí)間內(nèi)順逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，所以系統(tǒng)要達(dá)到很高要 求的穩(wěn)定性，所以我們?cè)谶x擇裝置的底盤(pán)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(wèn)題。 在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)當(dāng)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(gè)過(guò)程中也確定了最終的最穩(wěn)定的構(gòu)架。 2.4 PID算法設(shè)計(jì) 為了實(shí)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)角度控制，我們乂采用電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍限制，同樣的采用 增量式PID控

8、制算法，且結(jié)合我們單片機(jī)的速度限制（8位，16Mhz）,電機(jī)旋 轉(zhuǎn)角度測(cè)量會(huì)存一定的的偏差，因此我們整定了 P、I兩個(gè)參數(shù)，減小了因測(cè)量 誤差計(jì)算出來(lái)的PID偏差。 采集回來(lái)的擺軸角度和主軸旋轉(zhuǎn)角度，經(jīng)PID反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合， 以PWM占空比的形式直接輸入到減速直流電機(jī)上面。從而達(dá)到LI標(biāo)控制。 PID參數(shù)整定：由于我們?cè)谖锢斫Y(jié)構(gòu)，以及力學(xué)方面的知識(shí)薄弱，因此我 們采用了反復(fù)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(duì)輸入階躍響應(yīng)出現(xiàn)零界振蕩，記下這時(shí)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)

9、定。 增量型控制： 返回 控制流程：躺型PZ法的程序流程 公式： Am(/7)= u(n) 一 M(n 一 1) Tt =Kpen)-en -1)+ Kp e(n) + Kp (n) 一 2e(n - ) + e(n 2) TT 程序框圖： 坦審式pi 數(shù)字PID増壘型控制示意圏 第三章系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 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單片機(jī)為核心控制模塊按。 5V電源模塊：此設(shè)計(jì)采用12V開(kāi)關(guān)電源供電，通過(guò)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(lái)給單片機(jī)供電。 3. 3V電源模塊：3. 3

10、V電源輸出是山AM1117穩(wěn)壓芯片三腳輸入5V二腳輸出來(lái) 進(jìn)行轉(zhuǎn)換 按鍵模塊：本系統(tǒng)板中設(shè)計(jì)了四個(gè)按鍵，通過(guò)按鍵來(lái)對(duì)不同功能來(lái)進(jìn)行切換 演示。（外接） 液晶模塊：液晶模塊采用NOKIA5110液晶來(lái)顯示，N0KIA5110液晶具有功能 強(qiáng)大，連接簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。（外接） 二 上、E4耳啟 os T Th 圖3T系統(tǒng)主板工作原理圖 第四章系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 4-1系統(tǒng)總體模塊圖 42系統(tǒng)總流程圖 開(kāi)始 刪動(dòng) 圓周運(yùn)動(dòng) 角度測(cè)雖 直流電機(jī) Pirn法 WS3： 倒立施干擾炮 I 第五章系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果 5.1傳感器角度測(cè)試 我們?cè)谶M(jìn)行測(cè)試時(shí)為了保證角度的正確性，我們每將擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)圓周或 所以我們對(duì)編碼 者多

11、個(gè)圓周最后在擺桿垂直的角度為對(duì)360度求余即為0度, 器測(cè)量角度進(jìn)行了測(cè)量以便分析其誤差。 測(cè)量次數(shù) 轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)圓周 轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)圓周 轉(zhuǎn)動(dòng)三個(gè)圓周 綜合誤差 1 0 2 -1 0.83% 2 1 0 2 0.83% 3 0 0 -1 0.27% 4 0 2 0 0.56% 5 0 1 3 1.11% 6 0 -1 2 0.83% 52搖擺及圓周運(yùn)動(dòng)測(cè)試 我們?cè)谡{(diào)試好后，對(duì)擺桿的搖擺進(jìn)行測(cè)試，主要是針對(duì)擺桿起振到60度 及以上角度的時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)訃分析。（該數(shù)據(jù)山秒表測(cè)量得到，角度山簡(jiǎn)易量角 器測(cè)得） 測(cè)量次數(shù) 穩(wěn)上時(shí)間 穩(wěn)左角度 1 3.7s 大于60度，小于90度 2 4.2s 大于60度，小于9

12、0度 3 4.0s 大于90度 4 3.8s 大于60度，小于90度 5 4.0s 等于90度 6 3.7s 大于60度，小于90度 山以上數(shù)據(jù)可知，搖擺測(cè)試中該裝置基本穩(wěn)定。 我們同時(shí)也對(duì)擺桿進(jìn)行了圓周運(yùn)動(dòng)的測(cè)試， 進(jìn)行了測(cè)試統(tǒng)計(jì)分析。（該數(shù)據(jù)111秒表測(cè)量得到） 主要是針對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性 測(cè)量次數(shù) 穩(wěn)左時(shí)間 備注 1 5.3s 成功進(jìn)入圓周狀態(tài) 2 4.8s 成功進(jìn)入圓周狀態(tài) 3 5.5s 未成功進(jìn)入圓周狀態(tài) 4 5.0s 成功進(jìn)入圓周狀態(tài) 5 5.3s 成功進(jìn)入圓周狀態(tài) 6 5.2s 成功進(jìn)入圓周狀態(tài) 山以上數(shù)據(jù)可以，我們裝置的圓周運(yùn)動(dòng)也是基本穩(wěn)定的，但是在測(cè)試中出現(xiàn) 了一次未成功進(jìn)入

13、的圓周運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，我們分析是，山于在程序中我們要求每次起振要從0度開(kāi)始，山于測(cè)量中的疏忽，我們沒(méi)有等到擺桿靜止就進(jìn)入了測(cè)試, 山此而產(chǎn)生的錯(cuò)誤。 5.3倒立擺測(cè)試 我們對(duì)倒立擺主要進(jìn)行了擺桿穩(wěn)定時(shí)間測(cè)試，以此分析我們的裝置在倒立 擺過(guò)程中的穩(wěn)定性。第一項(xiàng)測(cè)試是在人為將擺桿樹(shù)直在165度到-165度范圍內(nèi), 待擺桿直立后的穩(wěn)定時(shí)間。 測(cè)量次數(shù) 穩(wěn)上時(shí)間 s s s s S 5 5 5 5 5 于于于于于 5S大大大大大 定定定定定 穩(wěn)穩(wěn)穩(wěn)穩(wěn)穩(wěn) 注定 備穩(wěn) 我們對(duì)倒立擺乂進(jìn)行碰撞測(cè)試（用15cm擺線綁定， 將擺線拉至45度） 測(cè)量次數(shù) 碰撞舷碼重量 穩(wěn)左狀態(tài) 備注 1 4.88g 穩(wěn)泄 2 4.88

14、g 穩(wěn)泄 3 4.88g 穩(wěn)定 4 7.22g 穩(wěn)定 5 7.22g 穩(wěn)定 6 7.22g 穩(wěn)泄 從以上數(shù)據(jù)可以看岀，我們的倒立擺系統(tǒng)也是相對(duì)穩(wěn)定的。 第六章誤差分析 6.1整體的誤差分析 山于我們?cè)诒敬卧O(shè)計(jì)中采用編碼器為1000線編碼器，理論上每轉(zhuǎn) 一圈要進(jìn)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(cuò)步的。但 是山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(mǎn)足要求。為了減 小誤差，我們將編碼器接到了最高優(yōu)先級(jí)別的外部中斷0中，所以也基本能滿(mǎn) 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(dòng)作影響較小，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身有記憶功能，可仍保持原位，不會(huì)嚴(yán)重影響 系統(tǒng)的工作，而位置式的輸出直接對(duì)應(yīng)對(duì)象的輸出，因此對(duì)系統(tǒng)影響較大，因 此我們的角度PID釆用了