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1、附录A倒立摆的平衡器导言此计划的目标是建立和实施一个倒立摆的平衡器，在垂直两维平面，使用比例积分微分（ PID ）的反馈控制。 倒立摆的平衡是一个无线电控制汽车改装，加入有机玻璃平台和倒立摆与自由旋转枢轴。电气组成部分，平衡器，汇集了计算的硬件（ Atmel的mega32微控制器） ，一投入倾角传感器（美国数字光学轴角编码器） ，和一个输出电机驱动器（美国国家半导体lmd18200 H桥）到一个单一的委员会，其唯一的目的是为自主控制的议案，汽车，以保持钟摆从下降。 机械学院与航空航天工程的反馈控制系统，当然在康奈尔大学，我们的愿望是要整合的知识，稳定不稳定的系统使用反馈控制（ mae478 ）
2、 ，快速，灵活的计算能力，微控制器（ ece476 ），和使用真实世界的工程工具和预算的限制，强加给我们的项目经理。结果是一种简单，廉价，及游艺设备，完成了我们预定的目标。 高层次设计： 机源自反馈控制系统（ mae478 ） ，当然，我们都是目前就读英寸，我们要尝试在一个项目的地方，我们可以落实反馈控制器与微控制器。问题是什么来控制。之后做一些研究，我们发现了斯坦福大学ee281项目由杰弗里班布里奇。这种“自我平衡的机器人”项目，试图设计一个足机器人平衡本身使用的反馈控制与Atmel mega163微控制器。班布里奇企图平衡杆直接相连的两个轮子。他很快就加入了第三轮的支持和枢轴后，两个车轮的
3、设计创造了不想要的旋转运动约纵轴。此外，班布里奇用倾角传感器测量机器人的角度。不过，倾斜传感器被证明是不准确的，由于结合机器人的水平加速度和ARM的引力freefall 。基本结构的反馈控制系统是如下图所示。该倾角传感器读减去参考的角度，以产生错误。这个错误是用来计算电机控制参数，使用PID控制算法（下文讨论） 。电机控制，然后发送到设备上。我们决定继续我们的反馈控制系统的SISO （单输入单输出） ，而不是的MIMO （多输入多输出）为简单起见，以帮助我们的黑箱建模。参考的角度是唯一的输入该系统，和反馈控制使用的错误的角度，从范围和计算电动机输出。+ 噪音倾角传感器机动控制+MCU PID控
4、制设备+错误摆角+ 我们有限的机械工程能力，随着短期的时间内完成项目，最惠国待遇，使用一种预制的汽车。 1 4轮车的经验，不会转动的议案，班布里奇在他所遇到的项目。 RadioShack公司的广泛的选择玩具的无线电控制车，使我们的甄选过程中十分容易。一旦一个稳定的车辆与快速反应的特点被发现和修改，以举行一次倒立摆，搜索转而寻找一个可靠的，高分辨率的角度传感装置。两个最可行的选择是一种基于MEMS加速度计或光学编码器。经初步测试，模拟加速度无法执行，以及为数字编码器。因此， 1024赫兹革命（心肺复苏术）光学轴角编码器由美国数字成为我们的角度传感器。这是一个巨大的进步超过了倾斜传感器，由于编码没
5、有受到影响，所带来的影响的严重性，或汽车的加速度。 该Atmel的mega32微控制器使用，而非该mega163由于其优越的速度，为外部中断采样的编码数据，并更加多才多艺计时器选项。初步黑箱测试的汽车的直流电动机的能力，给了我们一个好主意的汽车的性能。不同的驾驶情况观察，包括单方向的驾驶执照和振荡的议案。整理后，电机控制，我们提出的测试传感器。光学编码器的输入信号，很快就转化为一个错误的角度引用从最初计数的价值。 最后设计阶段，是比例积分微分（ PID ）的控制器与角误差，以汽车的速度和方向（见方程下文） 。比例任期（一）适用于电压，以汽车比例错误。这个值影响了车的反应时间;更高的比例来说，速
6、度更快汽车的回应不惜牺牲系统的稳定性。积分任期（二）将正确的任何稳态误差会出现因任何反应迟缓由电动机。积分控制将给予汽车一点点额外的“推” ，以确保正确的追踪的参考角度。不过，较高的积分控制任期将创造振荡是要么无法或可能投掷系统的不稳定。最后，衍生金融工具的任期（三）是用来理顺的变化，误差随着时间的推移。这个名词，通常可以理顺振荡的车辆在牺牲慢的反应。微调这三个变量，根据系统的行为将允许汽车，以平衡倒立摆。 程序和硬件设计硬件设计所需的硬件倒立摆的平衡器，可以很容易被分成2子系统：机械和电气。 机械工业： 我们的首要目标是迅速取得设备的能力正向和反向的议案，与快速的过渡和快速加速。缺乏知识的机
7、械车设计和能力，以齿轮马达正确足够的转矩动议的购物车，我们迅速通过的想法使用的无线电控制汽车，作为我们的基地。测试后的各种钢筋混凝土车从RadioShack公司，我们找到了车，似乎有表现，我们需要的，随着稳固的基地，便很容易让一个钟摆仪器安装。 汽车的直流电动机是设在方便的位置，在车尾下方的汽车。 6节AA电池被制造商的定义电源;因此，我们知道我们的电力供应将不得不供应至少9伏特。六个机管局的安装与休息，在过去的接触电池匣和一个电流表（一套来衡量目前的）在一系列的措施，目前所得出的装置。与汽车没有在负载情况下（即没有在地板上与车轮在空气中） ，设备提请300毫安。我们估计，在负载情况下，汽车至
8、少需要600-800毫安运行与足够的电源。通过搜查后，许多电源供应器，在菲利普斯大会堂数字实验室，我们发现一个12V的1500毫安电力供应从RadioShack公司，这将是足够多的为我们的需要。这是后来发现荷载作用下，快速转型期的议案，该装置实际上是提请大约900毫安从供应。 选择后，我们的设备，我们下一步的任务是建立一个倒立摆对汽车。一树脂玻璃钢板是用来建立一个平台上，重视钟摆（见图片9 ） 。这板是有担保，以汽车与4螺栓在每一个角落的车辆。在该中心的平台，两个括号内放置与内部的角度谈到对方，连一个6.3 “螺丝钉，并用来创造的支点钟摆（见图3 ） 。最后， 38条“棒（ 3 / 8 ”直径
9、）是拧成的中心顶端括弧内为创造我们的钟摆。这似乎是奇怪，有一个38 “杆以上的12个”汽车。杆的高度，按照设计，不过，行为在我们的青睐，作为规模较大的转动惯量（及更高的质心） ，实际上拖慢杆的初步运动。新增加的重量，以车辆将健全有害的影响，汽车的悬架系统。因此， 4弹性条带，放在靠近汽车在以锁定的冲击，在一个压缩的立场。 与钟摆会议上顶端支架，螺丝署理作为一个契机，我们下一步的任务是能够探测到的角度和方向，钟摆的倾斜。我们的第一选择是一个基于MEMS加速度电子设备产品-adxl202e 。不过，初步检验证明，该加速度计的模拟信号不会为我们提供了该决议，我们需要的角度来检测。数位输出的无铅表面贴
10、装adxl202e被停用，与印刷电路板，我们用来挂载。因此，我们拒绝向美斯处，那里我们可以借用1024cpr （赫兹革命）光学轴角编码器从mae478的反馈实验室。 而不是使用编码器的轴作为支点，我们决定使用办法，将付诸表决的最低金额应力对微妙的一件设备。编码器被放置在同向平行钟摆的括号内。高度编码器的轴是不结盟与枢纽，有效地创造一个假想线从枢轴，以编码器的轴。最后，一个PIN是连接到轴的编码器，塑胶铁包裹，并连接到摆的支架。托架有一个0.096 “钻孔以上的契机，例如，该引脚将紧密配合，没有滑倒;因此，当钟摆动议，该编码器的轴旋转（见图3 ，图3和图4 ） 。 电气： 一旦不稳定，摆组装和安
11、装在汽车，电气线路要设计的接受信息，从光学编码器，处理信息，然后控制车辆在正向和反向的议案。我们并不需要任何无线电控制电路或转折的能力，为我们的设计;因此，汽车的马达线的其余部分隔开制造商的电路由刈割电线，导致汽车。应用潜力，汽车，导致会造成电机的自旋在一个方向，虽然扭转了极性对线索将导致直流电动机，以针在相反的方向。控制汽车的正向和反向的议案，我们需要一个简单的四开关装置（见图1 ）这将确保保护，以免在短期内的直流电源，即是开关1和第4或第2和第3不可能封闭在同一时间内。经营电机在一个方向，只要关闭开关1和第3款;逆向运作，开放交换机1和第3条和关闭开关2和4 。停止电机完全，只需打开所有开
12、关。 而非身体落实每个开关作为一个晶体管，美国国家半导体lmd18200t H桥使用。这方便， 11引脚封装，可接受多达55v供电电压及可提供高达3A条输出电流。该设备包含4 -开关安装需要为我们的电机控制，随着保护二极管和电路，以确保有是从来没有在短期内从供应至地面。连接后，供应（引脚6 ）和地面（引脚7 ） ，只有3的投入，控制运作的汽车。休息位（引脚4 ）是用来有效地短期的输出终端连接到电动机。没有一个电位差的全国汽车线索，设备不运作。高突破位执行此功能;低打破位将允许目前流经汽车。方向的汽车是确定的方向位（引脚3 ） 。当方向是高，输出1 （引脚2 ）将源的同时，输出2 （引脚10 ）
13、将下沉，反之亦然为低的方向位。最后，速度，汽车是由脉宽调制（ PWM ）信号引脚5的H桥。速度是成正比的脉冲宽度在此输入;越高，占空比，更高的速度运动。此外，为了增加业绩， 0.01 F的电容器放在从每个输出其相应的Bootstrap PIN和100 F的旁路电容供应（汽车之间的供应和地面） ，以吸纳循环电流的电感负载，因为每制造商的建议。如果没有这个100 F的电容器，汽车的行为是非常呆滞。汽车是连接到H桥通过一个2针头（见图2 ， J3中） 。 2更多2针标题被用于调试目的。首先是放置在平行的2引脚电机头（见图2 ， j2 ）这种电压全国汽车可轻易加以衡量。第二头被放置在一系列之间的H桥的
14、输出2 （引脚10 ）和相应的汽车导致的措施，目前经历的发动机。正常运作下，跳线应放在全国，这头（见图2 ， J1中）一旦硬件驱动电机被确定，我们提出建立一个独立的委员会，例如，所有的控制将是该车辆。使用六的“ X 2-1/16 ”效能董事会，我们开始奠定了必要的组件为Atmel的mega32单片机的运行没有沙头角- 500发展局。我们的初步委员会使用一个单一的12V电源提供动力都MCU和汽车。德克萨斯仪器ua7805ckcs电压调节器是用来把一个5V的规管，以微控制器。 1 0.1 F的电容器至地面被放置在对方的监管，以阻止任何噪音对线从重置的MCU 。一个16 MHz的晶体放在全国xtal
15、1 （引脚13 ）和xtal2 （引脚12 ） ，与27酚醛电容器至地面，在每个管脚。最后，一个2x3的标题被用来允许在系统编程的mega32 （见图2 ） 。该vcc线在ISP的标题是残疾人士。连接ISP的5V的路线，从而使在vcc从沙头角- 500编程期间，到单片机的规管vcc线，直接来自12V电源供应，可能会导致两用品战斗对方，如果他们双方就在同一时间内。因此，我们决定最好的选择将是禁用的ISP的vcc路线，始终使用我们的12V电源线。不过，这需要董事会来提供动力，当外部编程。该（ ISP引脚1 ） ，（ ISP引脚3 ） ，（ ISP引脚4 ） ，（ ISP引脚5 ） ，（ ISP引脚
16、6 ）线连接到单片机的引脚7 ， 8 ， 6 ， 9 ，和11 ，分别完成在系统编程设置。最后，我们专门portd.4 ， d.5 ，和草6对微控制器为3电机控制信号的;突破，脉宽调制，和方向。 加入的光学编码器电路的最后一步所需的硬件，以平衡摆。输出通道A和B从编码器（引脚3和5分别）被用来触发外部中断对引脚2 ， 3的分离。编码器是连接到电路使用1x5针头，其中发表5五，地面，和渠道A和B线，由单片机编码。 （见图2 ， j4 ）至于对电力，似乎只有一件事阻止我们的电路在这一点上。 一旦我们的软件，准备进行测试，问题与硬件几乎立即浮现;最激烈正在噪音问题orignating从马达。因为只有一，电力供应使用的（ 12V的，以汽车和规管，以5V的为微控制器） ，噪音时创建的汽车将改变方向，将旅行下来，地面线和重置的MCU ，其中有一个绝对的最高评级二 毫安直流电流对vcc和接地引脚。身
