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1、2013年全国大学生电子设计竞赛 简易旋转倒立摆及控制装置（C题）【本科组】2013年9月7日 简易旋转倒立摆及控制装置（C题）摘 要 本设计根据选题要求搭建制作一台简易平面圆周倒立摆控制装置，系统基本功能要实现：摆杆的正负60以上大角度摆动、摆杆圆周运动以及摆杆倒立自平衡等功能。基于这些要求，经过队员讨论并依据现有条件，决定分别采用双向编码器和陀螺仪-加速度计模块来分别测量旋转臂转角和摆杆摆角，使用直流减速电机控制旋转臂动作，以此搭建系统硬件结构。控制方案采用两个PID控制器分别控制旋转臂转角和摆杆摆角，通过对PID参数的整定来实现对摆杆姿态的控制。另外，为了系统调试方便，还设计了液晶显示+
2、键盘的辅助调试模块，借助该模块可实现实时显示摆杆摆角及摆臂旋转角度，PID参数修订，摆杆动作切换等附加功能。关键字：旋转倒立摆 PID控制 陀螺仪-加速度计 目 录1系统方案11.1 任务及要求.11.2 系统结构.21.3 方案比较与选择.22系统理论分析与计算.42.1 电机选型.42.2 摆杆状态检测.42.3 驱动与控制算法.53电路与程序设计.63.1电路设计.73.1.1 系统总体框图.73.1.2 电动机驱动模块子系统电路原理图.83.1.3 电源模块电路原理图.83.2程序设计.93.2.1 程序功能描述与设计思路.93.2.2 程序流程图.94系统测试.134.1 测试条件与
3、仪器.134.2 测试方法与结果分析.14附录1：电路原理图.16简易倒立摆及控制装置【C题】【本科组】1系统设计要求与设计方案1.1任务及要求设计并制作一套简易旋转倒立摆及其控制装置。旋转倒立摆的结构如图1所示。电动机A固定在支架B上，通过转轴F驱动旋转臂C旋转。摆杆E通过转轴D固定在旋转臂C的一端，当旋转臂C在电动机A驱动下作往复旋转运动时，带动摆杆E在垂直于旋转臂C的平面作自由旋转。1基本要求（1）摆杆从处于自然下垂状态（摆角0）开始，驱动电机带动旋转臂作往复旋转使摆杆摆动，并尽快使摆角达到或超过-60 +60；（2）从摆杆处于自然下垂状态开始，尽快增大摆杆的摆动幅度，直至完成圆周运动；
4、（3）在摆杆处于自然下垂状态下，外力拉起摆杆至接近165位置，外力撤除同时，启动控制旋转臂使摆杆保持倒立状态时间不少于5s；期间，旋转臂的转动角度不大于90。2发挥部分（1）从摆杆处于自然下垂状态开始，控制旋转臂作往复旋转运动，尽快使摆杆摆起倒立，保持倒立状态时间不少于10s；（2）在摆杆保持倒立状态下，施加干扰后摆杆能继续保持倒立或2s内恢复倒立状态；（3）在摆杆保持倒立状态的前提下，旋转臂作圆周运动，并尽快使单方向转过角度达到或超过360；（4）其他。1.2系统结构 根据题目要求，系统可分为摆杆与悬臂模块、支架模块、电机与驱动模块、传感器采集模块、单片机控制模块、电源模块等六部分。通过传感
5、器测量旋转臂角度信息和摆杆角度信息，单片机通过一定的控制算法驱动电机转动，带动悬臂及摆杆运动，达到控制摆杆完成题目要求的各项动作。图2 系统结构总图以下是我们的具体设计方案。摆杆与支架的连接可以通过电机带动减速齿轮机构进行连接，这样可以增大电机转动时的力矩，使得摆杆对悬臂动作的响应加快，提高控制性能。另一方面，对于摆杆我们选择了轻质铝合金，这样可以减小摆杆惯性，加快系统动态响应。对于控制量的检测，我们准备选取两个可以测量角度的传感器，其一用于检测旋转臂转角及其角速度，通过一定的控制方法将旋转臂转角控制在一定的范围内，而另一个角度传感器固定于旋转附近，测量摆杆的角度信息，从而控制摆杆的平衡。摆杆
6、通过轴承与旋转臂相连，这样既可以使用编码器测量摆杆的角度、角速度等参数，同时又能保证摆杆自由灵活地旋转。另外，我们还需要搭建一个稳定的底座来固定系统，减少系统的振动，搭建一个支架，用于解决摆杆、旋转臂圆周运动时的绕线问题。1.3方案比较与选择主控芯片方案的选择：方案1：采用STC15系列8051内核单片机。这种单片机操作简单，同时处理速度远快于传统51单片机，内部数据与程序存储空间较大，AD、PWM等各种外设齐全，基本可以满足要求。另一方面，其I/O接口有限，同时处理速度相对较慢，中断系统不是非常稳定。方案2：采用飞思卡尔K60单片机作为主控芯片。其工作电压较低，频率可达200MHz，系统稳定
7、，外设功能丰富，I/O接口数可以满足设计要求。同时，参赛成员对其具有一定的使用经验。综上所述，我们采用飞思卡尔K60作为主控芯片。电动机的选择：方案1：使用伺服电机。伺服电机响应速度快，线性度好，非常适宜此类问题，由于条件所限，放弃此种方案。方案2：使用直流减速电机作为控制电机。直流电机控制方便，使用单片机的PWM接口配合电机驱动即可方便控制。由于直流电机转速很大，所以负载工作时需要配合减速器一起使用。减速器可以降低电机转速，增大力矩，方便控制。同时，这种电机也较为常见，成本较低。方案3：采用步进电机。步进电机控制精确，可以方便地控制电机的转角，非常适合精准的控制应用场合。但是步进电机的扭矩较
8、小，同时如果高速运行还可能产生振动，这样反而不利于进行控制。综上，我们选择了直流减速电机。角度测量方案的选择：方案1：采用专用角度传感器。这种传感器可以将角度量转换为电平值，我们可以直接从AD中读取角度值，非常便于角度测定。但是由于实验室条件限制，无法采取此种方式。方案2：旋转臂与电机连接处使用双向编码器，摆杆与转轴之间也采用双向编码器。这样，通过读取单片机的计数模块再经过简单的正负判断处理就可以很容易测得两转轴处的角度变化。但是我们使用的编码器只有500线。在实际应用中，我们发现摆杆转轴处角度的检测精度无法满足摆杆的控制要求。综合考虑实验室现有条件，我们设计了方案3。方案3：旋转臂与电机连接
9、处使用双向编码器，摆杆上固定陀螺仪-加速度计模块，陀螺仪可以直接测得角速度，而其对时间的积分即为当前偏离角度。由于陀螺仪在运行过程中容易受到温度的影响，使得积分值变得不准确，所以需要引入加速度计的值来对陀螺仪积分产生的角度进行纠正。通过陀螺仪角速度的积分值与加速度计互补融合，配置合理的参数，即可测得反应当前角度的量。这样，就可以比较精确地检测出摆杆当前的角度了。2系统理论分析与计算2.1 电动机选型由于条件限制，在没有伺服电机的情况下，我们使用了带减速齿轮的RS385S直流电机。相比伺服电机，直流减速电机定位性能稍差。RS385S直流电机负载转速为15000rpm10%，可以较快地响应控制。其负载电流为3.9A，两片BTN7971B搭成的H桥驱动模块可以满足其电流需求，同时实验中我们发现如果堵转，电流增大，驱动芯片电路也可以自动断电，使电机得到保护。另外，RS385S直流电机带减速器后力矩很大，可以快速带动一定质量的负载，使得系统的响应速度可以满足要求。2.2 摆杆状态检测摆杆状态检测我们采用了加速度计与陀螺仪配合的方式进行测量。我们在摆杆上固定陀螺仪-加速度计模块，陀螺仪可以直接测出角速度，也就是说我们可以通过对陀螺仪速度的累加而感知摆杆角度的变化情况。但是陀螺仪在累加过程中累积值会受温度影响
