简易旋转倒立摆及控制装置(c题)_大学生电子设计大赛论文(编辑修改稿)

简易旋转倒立摆及控制装置(c题)_大学生电子设计大赛论文(编辑修改稿)内容摘要：

路 程序的设计 程序功能描述与设计思路 程序功能描述 根据题目要求，本系统程序的任务如下：对检测摆杆位置的 增量 编码器 1 的输入信号进行计数和方向识别，根据摆杆的摆角发出 PWM 波，对电机进行控制，同时接受外部计数器对旋转臂速度检测反馈回来的信息，综合两个反馈，根据基于物理模型得到的电机控制电压计算公式， 控制电机 使 给摆杆一个加速度， 不同的控制算法 能够实现相应的功能 ，如起振，圆周运动，倒立平衡等。 电机控制程序内容： 见附件 3 程序流程图 主程序 与子程序框图 8 图 3 主程序与子程序框图 “ 起摆做圆周运动” 子程序流程图 9 开 始检 测 摆 杆 角 度查 表 计 算 电 机 加 速度 并 输 出 控 制 信 号相 邻 两 次 检 测 到 的 摆 杆 速 度是 否 反 号 或 一 次 为 0否查 表 计 算 电 机 加 速 度 并 输 出方 向 相 反 的 控 制 信 号是结 束 图 4 “ 起摆做圆周运动” 子程序流程图 10 “ 起摆并尽快达到稳态” 子程序流程图 开始检测摆杆角度计算加速度并发出控制信号是否接近180平衡位置计算加速度是测量旋转臂的速度给出控制信号否 图 5 “起摆并达到倒立平衡状态”子程序流程图 11 4 测试方案与测试结果 测试方案 硬件软件联调 ： 调试时，下载线连接单片机，以便程序执行后实时观测控制算法中多个变量，如摆杆角度，方向，电机速度以及加速度等等。 通过拨码开关来决定运行不同的程序，以实现不同的功能。 相互功能之间没有干扰。 实现另一个功能需要单片机复位后重新运行。 记录下每次实现不同功能的性能指标。 测试条件与仪器 测试条件： 支架水平放置于桌面上，保证摆杆处于自然下垂状态，除电机 外 无其他外力对摆杆造成干扰 （空气阻力，摩擦力等不算在内）。 测试仪器： 直流稳压电源， 数字示波器，数字万用表 ，秒表，量角器 . 测试结果及分析 测试结果 (数据 ) 测试功能一：摆杆起振 测试次数 1 2 3 4 5 6 摆动幅度 （度） 60 60 60 60 60 60 摆动时间（ s） 2 1 2 3 5 4 测试功能二：摆杆完成圆周运动 说明：以完整的完成一个圆周运动的时间为计时标准。 测试次数 1 2 3 4 5 6 7 8 完成时间 （ s） 2 2 2 2 1 2 1 1 测试功能三：摆杆尽快达到倒立平衡状态并保持 5s 以上，且旋转臂旋转的转动角度不大于 90 度。 测试次数 1 2 3 4 5 6 7 8 保持时间 （ s） 5 5 5 5 5 5 5 5 旋转臂最大转动角 （度） 90 90 90 90 90 90 90 90 12 测试功能四：从摆杆处于自然下垂状态开始，控制旋转臂做往复旋转运动，尽快使摆杆摆起倒立，保持倒立时间不小于 10s 测试次数 1 2 3 4 5 6 7 8 摆起时间 （ s） 2 3 1 2． 5 1 4 保持时间（ s） 10 10 0 10 10 10 10 10 测试功能五：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。 测试次数 1 2 3 4 5 6 7 8 能否保持 能 能 能 能 能 能 能 否 恢复时间（ s） 2 3 4 3 3 4 5 4 测试功能六：在摆杆保持倒立状态的前提下，旋转臂做圆周运动，并尽快使单方向转过角度达到或超过 360 度。 测试次数 1 2 3 4 5 6 7 8 旋转臂转过 360 度时间（ s） 5 5 5 5 5 5 5 5 测试分析与结论 根据上述测试数据， 该系统基本上能够达到基本部分和发挥部分 (1)(3)的性能指标 ，由此可以得出以下 结论 ： 电机的性能不是很理想， 联轴器有些松动，长时间运行两者有些脱节， 起振达到平衡很困难， 双环控制需要时间上的配合，加入的时间和参数很重要。 好的硬件电路时成功的奠基石。 综上所述，本设计 基本 达到设计要求。 5 总结 本次比赛中我们组遇到的最大的困难 是 硬件问题，包括合适的电动机的 选型 ，先后换了三种型号的电动机，电动机与底座和旋转臂的连接，以及能够经受住长时间离心力13 作用的联轴器和钢珠等支承结构。 四天三夜中很多时间在组建和检修硬件部分，导致浪费了很多调试程序的时间， 东奔西跑地 寻找合适的材料也浪费了很多体力。 在断断续续的将硬件做好之后，在调试软件时我们一直采用的程序设计思路在我们攻克倒立平衡的稳定性时，遇到了很大的挑战，我们在这个程序思路上下了很多功夫，但是调整结果很不满意。 在第四天的下午，离比赛结束还有几个小时时，我们放弃了一直坚持的程序主线 —— 将加速度环作为内环，速度环作为外环进行控制，转而采用了将速度环作为内环，而加速度环作为外环，消除了速度的采样滞后，才取得了比较可喜的进步，但是由于时间实在太有限，我们没有机会将所有部分都完美的移植在新的程序思路上。 遗憾是有的，但是收获也 是巨大的，四天三夜，体验到了很多东西，团队的力量，沟通的重要性，最重要的是遇到困难能够不被得失的情绪所干扰，而是一心一意去解决问题，这是我们以后对待任何困难的一种成功的心态。 在这比赛的最后，要感谢学校和学院老师的给力的后勤工作，使我们能够在不被烦扰的情况下，用最充足的时间 完成比赛。 感谢全国大学生电子设计大赛的组委会，提供这样优秀的平台和机会给我们充足的锻炼。 14 附 件 1： 系统电路原理图 P0 P0 P1 P1 P2 P2 P3 P3 J0 J0 J1 J1 K0 K0 K1 K1 K2 K2 K3 K3 T0 T0 T1 T1 T2 T2 T3 T3 T4 T4 T5 T5 T6 T6 T7 T7 K4 K4 K5 K5 B0 B0 B1 B1 B2 B2 B3 B3 B4 B4 B5 B5 B6 B6 B7 B7 P7 P7 P6 P6 P5 P5 P4 P4 K7 K7 NC NC M7 M7 M6 M6 M5 M5 M4 M4 M3 M3 M2 M2 M1 M1 M0 M0 J7 J7 J6 J6 S7 S7 S6 S6 S5 S5 S4 S4 S3 S3 S2 S2 S1 S1 S0 S0 +5 +5 +5 +5 GND GND GND GND AD15 AD15 AD14 AD14 AD13 AD13 AD12 AD12 AD11 AD11 AD10 AD10 AD9 AD9 AD8 AD8 AD7 AD7 AD6 AD6 AD5 AD5 AD4 AD4 AD3 AD3 AD2 AD2 AD1 AD1 AD0 AD0 A7 A7 A6 A6 A5 A5 A4 A4 A3 A3 A2 A2 A1 A1 A0 A0 VRH VRH GND GND GND GND +5 +5 H7 H7 H6 H6 H5 H5 H4 H4 E7 E7 E6 E6 E5 E5 E4 E4 H3 H3 H2 H2 H1 H1 H0 H0 E3 E3 E2 E2 E1 E1 E0 E0 9S12XS/EP112 1 2 3 4 5 6 7 8 S1 178。 166。 194。 235。 191。 170。 185。 216。 X0 12 X1 14 X2 15 X3 11 Y0 1 Y1 5 Y2 2 Y3 4 INH 6 A 10 B 9 VEE 7 X 13 Y 3 U2 CD4052 R1 20k R2 20k R3 20k R4 20k +5 GND 1 VIN+ 5 ON/OFF 3 GND 4 FEEDBACK 2 OUTPUT LM2596191。 170。 185。 216。 181。 231。 209。 185。 181。 247。 189。 218。 196。 163。 191。 233。 U2 + C1 680UF D1 IN5824 L 33u + C2 220UF +12V214。 177。 193。 247。 202。 228。 200。 235。 12V214。 177。 193。 247。 202。 228。 200。 235。 +5V202。 228。 179。 246。 GND VR? VR IN1 5 IN2 7 IN3 10 IN4 12 ENA 6 ENB 11 VSS 9 VS 4 OUT1 2 OUT2 3 OUT3 13 14 OUT4 ISEN A 1 ISEN B 15 U3 L298N D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 +12V GND GND GND + C3 100UF C4 C6 + C5 100UF +5V +5V 1 2 3 4 J1 CON4 1 IRd/ 2 1D 3 1CP 4 ISd 5 1Q 6 1Q/ 7 GND 14 VSS 13 2Rd/ 12 2D 11 2CP 10 2Sd 9 2Q 8 2Q/ * Component_1 P1 P5 1 NC 2 VCC 3 GND 4 NC 5 A/ 6 A 7 B/ 8 B 9 I/ 10 I 1 189 2 +5v 3 GND 4 192 5 193。