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1、毕业设计说明书基于ARM的倒立摆系统研究仪器与电子学院学生姓名： 学号： 微电子学学 院： 专 业： 指导教师： 2016年 6月基于ARM的倒立摆系统研究摘要随着工业、农业、交通运输和国防等方面的不断发展，在这些方面都离不开较高的控制性能，自动化控制就有了很大的应用舞台。从二十世纪五十年代到现在，人们对倒立摆的研究不断加深。倒立摆是一种研究控制理论的实验设备，它具有高阶次、强耦合、非线性、多变量、不稳定等特点的系统。倒立摆已经由一级发展到了多级，控制手段也是多种多样。并且倒立摆还具有结构简单，价格低廉等优点，被人们应用和推广在很多领域，尤其是高校的自动化控制教育领域。本设计采用STM32F1
2、03单片机为核心控制器设计一个一阶旋转倒立摆控制系统。该系统控制算法采用PID控制算法。本系统主要包括三大部分，硬件系统的设计；MATLAB仿真；程序调试。本系统在无外部干扰的情况下可以保持3内的偏差，保持五十分钟以上不倒。 关键词：单片机，PID，自动控制，MATLAB仿真。 Research on inverted pendulum system based on ARMabstractWith the continuous development of industry, agriculture, transportation and National Defense Science a
3、nd technology, in these areas can not be separated from the higher performance of control technology , Automation control is of great use.From 1950s to the present, the research of the inverted pendulum has been deepened. Inverted pendulum is a kind of experimental equipment, which has high order, s
4、trong coupling, nonlinear, multi variable, unstable and so on. The inverted pendulum has been developed from one stage to another, and the control method is also varied. The inverted pendulum has the advantages of simple structure, low price and so on. It has been applied and popularized in many fie
5、lds, especially in the field of automatic control education in Colleges and universities.This design uses the STM32F103 MCU as the controller to design a first order rotary inverted pendulum control system. The system control algorithm using PID control algorithm. This system mainly includes three p
6、arts, hardware system design; MATLAB simulation; program debugging.In the absence of external interference, the system can keep the deviation within 3 degrees, and keep the system stable for more than 50 minutes.Key words: MCU, PID, automatic control, MATLAB simulation.目 录1 绪论11.1研究目的和意义11.2国内外发展现状1
7、1.3本说明书内容22 总体方案设计32.1 设计任务32.2 方案流程32.2.1 倒立摆构成32.2.2 倒立摆原理42.2.3 组件选型42.2.4 控制算法53硬件电路设计63.1 原理图设计63.1.1 电源模块63.1.2 按键模块73.1.3 USB转TTL模块73.1.4 单片机最小系统83.1.5 隔离USB转TTL103.2 PCB版图设计113.3 电路调试124 PID算法仿真144.1建立PID控制器模型144.2 建立PID仿真模型154.3 PID仿真154.3.1 P项仿真154.3.2 I项仿真164.3.3 D项仿真175 程序设计185.1了解STM32F
8、103系列单片机的构架和程序设计方法185.2 传感器程序设计195.3 PID算法程序设计235.4 PID参数调试245.4 系统测试256 总结28参考文献29致谢31附录 主要程序32 1 绪论1.1 研究目的和意义对于倒立摆系统的研究即设计一个让摆杆快速到达竖直向上的位置并且保持这个状态的算法。这个算法可以控制倒立摆系统在受到外部干扰的情况下可以保持稳定姿态1。对于倒立摆控制系统的研究不仅仅是在控制算法理论上有意义，其在实际应用中还有很大的作用。它可以作为一种检测各种控制算法性能的工具，可以把控制理论中稳定性，能控性，快速性和鲁棒性这些抽象的概念直观的表现出来。在机器人工业中，现在都
9、还无法实现机器人如同人类一样非常迅速的完成各种动作。对于人类来说，各种动作似乎都是很容易实现的。所以，我们忽略了人类运动的复杂程度。人类的每个简单动作都运用到了很多骨头，关节，肌肉。实际上要控制这些骨头，关节，和肌肉是一个非常复杂的问题。在多级倒立摆系统中，各级摆杆相当于骨头，不同级间的转轴就相当于关节，电机转动提供的能量相当于肌肉。所以倒立摆系统的运动与人类的运动非常相似。对研究倒立摆控制系统的研究可以帮助我们对机器人行走等方面提供一些经验。相关的科研成果已经应用到航天科技和机器人等诸多领域2。 此外，在自动化控制的教学工作中，倒立摆系统也具有相当高的地位，它是高校自动化专业的一个应用最广泛
10、的实验平台。1.2 国内外发展现状上世纪50年代，MIT在火箭研究中得到一些灵感，设计出了第一个倒立摆系统。到60年代末，倒立摆用来研究对不稳定和非线性系统的控制方法设计。从此倒立摆系统的研究进入一个高速发展的时期。在此期间，倒立摆的发展从直线摆发展到了悬挂摆，平面摆、环形摆等；从一级倒立摆发展到了二级，三级，四级倒立摆。此外，采用的电机种类不同又可以分成不同的倒立摆系统3。现在有北京师范大学、北京航空航天大学、东京工业大学、东京电力大学、东京大学等学校，对这一领域进行了持续的研究4。近年来，虽然各种新的倒立摆已经问世，但可以自主研发和生产的倒立摆设备厂商也不多。目前，国内高校基本上都是采用香
11、港公司和加拿大公司生产的系统，其他一些厂商还包括奥格斯科技发展有限公司、保定航空科技工业有限公司、郑州微纳科技有限公司5、科学技术微纳米发展有限公司。 1.3 本说明书内容本文主要介绍了一个基于ARM的倒立摆系统的设计方案。 第一章，介绍了倒立摆的背景和意义，阐述了倒立摆的国内外发展现状。 第二章，介绍了倒立摆系统的设计任务，技术指标，设计流程、设计方案。 第三章，系统的硬件电路设计方案，控制板中各模块的介绍，对所选器件的分析和说明。 第四章，倒立摆系统中PID算法的仿真设计。 第五章，程序设计。包括基本程序，传感器数据采集及处理程序，PID算法程序的设计和调试。 第六章，总结全文，对本文的工
12、作进行了总结与展望 2 总体方案设计2.1 设计任务基本技术指标：（1）了解ARM架构，熟悉ARM系统的编程应用；（2）设计原理图，绘制PCB图；（3）了解自动化控制原理和常用方法；（4）分析倒立摆系统，建立模型选用合适的控制算法进行闭环系统的分析；（5）分析总结控制器的调节经验；（6）控制精度小于3。工作内容：（1）查阅国内外相关文献资料，了解相关控制原理与算法；（2）查阅国内外相关文献资料，了解相关控制算法的调试过程；（3）根据所学的相关知识，完成倒立摆非平衡系统的控制。 2.2 方案流程2.2.1 倒立摆构成图2.1是一阶旋转倒立摆的结构图,主要有支架、电机、旋转臂、转轴、摆杆五部分组成
13、。 图 2.1 旋转倒立摆示意图2.2.2 倒立摆原理图2.1中，电机轴竖直放置并固定在支架上，旋转臂固定在电机轴上，可以在水平面内360旋转，摆杆通过转轴连接在旋转臂上，可以在竖直平面内360旋转。摆杆与旋转臂连接处有一个角度传感器，可以检测摆杆的实时角度。假如此时摆杆朝一个方向倾斜，控制器会采集此时的角度值并然后通过一定的算法控制控制电机转动带动旋转臂朝摆杆倾斜的方向转动，抵消摆杆倾斜的趋势，就可以使摆杆保持竖直向上倒立。PWM角度驱动板角度传感器控制板速度角度电压电机图 2.2 倒立摆控制流程图如图 2.2 是倒立摆控制流程图，输入信号是霍尔角度传感器的角度值和电机的转速，输出信号是PW
14、M，PWM经过驱动板后变成一个电压信号控制直流电机的转速，直流电机的转速又会改变摆杆的位置，从而霍尔传感器的角度值随着电机转速变化而变化。这样就形成了一个控制环。2.2.3 组件选型（1） 角度传感器角度传感器选用霍尔角度传感器6。常用角度传感器有四种，第一种是加速度计陀螺仪，第二种是编码器，第三种是精密电位器，第四种是霍尔角度传感器。其中，加速度计陀螺仪误差相对较大而且需要较复杂的滤波及融合算法一般用于惯性导航系统中。编码器将角度量转化为了数字信号，相对于加速度计陀螺仪来说精度更高，使用更简便。但是也是由于它的高精度和使用简便的特性，它的制造过程相对更加繁琐，价格也就相对高一些。尤其在倒立摆系统中我们希望传感器更加小，更加轻。在同等体积情况下编码器的价格高出其他传感器很多。精密电位器制造简单，价格便宜，但是由于它不是360有效，所以在倒立摆系统中也不是较好的选择。霍尔角度传感器原理简单，且没有加过多的信号处理所以价格便宜，
