2013全国电子设计大赛旋转倒立摆

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1、目录第一章系统方案比较与选择31.1总实现方案31.2主控制器方案比较与选择3第二章理论分析与计算52.1编码器脉冲转换角度设计52.2摇摆及圆周算法设计52.3机械结构设计及电机选型62.4PID算法设计7第三章系统电路设计93.1系统主板工作原理9第四章系统程序设计104.1系统总体模块图104.2系统总流程图10第五章系统测试与结果115.1传感器角度测试115.2摇摆及圆周运动测试115.3倒立摆测试12第六章误差分析136.1整体的误差分析136.2软件引起的算法误差分析13第七章参赛感悟14摘要本设计综合考虑基础部分和发挥部分要点，采用mega128a为

2、主控芯片，BTS7960驱动电机并在程序中涉及到pid算法对电机进行调控，在设计中，我们采用1000线编码器为角度传感器。在该简单控制装置中，我们实现了摆动，圆周运动和短时间的自动控制下的倒立。关键字：倒立摆，mega128a，编码器第一章系统方案比较与选择1.1总实现方案方案一：用陀螺仪和加速度计通过卡尔曼数据融合得到角度，用此处的角度为载体用单片机进行数据处理，并调整电机。方案二：用电位器做角度传感，通过单片机自带ADC来读取电位数值以此为依据来判断角度，并调整电机。方案三：用编码器做角度传感器，通过读取编码器的输出脉冲来计算角度传感器的输出角度，用此角度做处理

3、调整电机。通过对两个方案的对比选择，方案一中的加速度计和陀螺仪算法实现复杂，我们在融入卡尔曼滤波后有明显滤波效果，但是由于圆周运动，会使得各个方向轴返回的数据出错，且波动大，会减弱卡尔曼的滤波效果，对于pid的精准调整还是远远达不到预期。在方案二中，考虑到电位器内部结构问题，虽然理论上电位器在转动过程中是线性的，但是考虑到每次停靠的电阻位可能会产生误差，最后考虑到我们最终选定的单片机ADC只有10位，在方案三中，由于实现编码器的功能实现方便简单，并能更多的趋近于精确值，因此最后我们采用了方案三。1.2主控制器方案比较与选择为了完成在短时间快速采集并计算角度，主控器件

4、必须有较高的CPU工作频率和存储空间。方案一：采用51系列加强型STC12C5A60S2作为主控器件，用来实现题目所要求的各种功能。此方案最大的特点是系统规模可以做得很小，成本较低。操作控制简单。但是，我们在利用单片机处理高速信号快速扫描及电机控制时显得吃力，51系列单片机很难实现这一要求。方案二：采用ATMEL公司的AVR系列ATMEGA128A单片机为核心控制器件，MEGA128A有8个外部中断，中断系统丰富，并且有128K字节的系统内可编程Flash，我们对它的性能和指标相对也较为熟悉，如此能够实现快速扫描和数据处理！按照题目的要求，综合考虑我们最终选择了方案

5、二，采用ATMEGA128A单片机为核心控制器件。第一章理论分析与计算2.1编码器脉冲转换角度设计在单片机中，我们开启外部0中断，在AVR系列单片机中外部0中断的中断优先级最高，以此我们可以得到较为精确的角度。由于我们使用的编码器为1000线编码器，所以每一个脉冲的角度值为0.36，所以在计算时即使丢步也不会很大的影响角度值，我们在后面做过的实验测试中，也证明了我们的想法。2.2摇摆及圆周算法设计我们通过对整体的系统建模，在查阅资料当中，根据单摆定律，摆杆的摆动虽然在衰减但是摆动的周期相同，所以在基础要求中的摇摆和圆周运动中，只要在摆杆在正弦我们对单摆系统实测波形如

6、下，所以依据我们分析，当每次施力点在每次过峰值的时候既可以累加力的作用效果，以此来完成摇摆和圆周运动。图2-22.3机械结构设计及电机选型图2-3以上是我们机械结构的仿真图。在电机选型中，我们首先想到步进电机很便于角度控制，但是由于步进电机反应较慢，所以我们没有考虑，对于普通的直流电机虽然其反应快但调速性能差，另外我们还可以选择减速电机和直流伺服电机，直流伺服电机调速性，启动和制动都很有优势但是价格昂贵，最后在考虑到经济适用性方面，我们选择了带有减速箱的减速电机。在这个简易摆装置中，我们选用400转减速电机，型号为JH37-555，额定功率为15W，力矩为30Kgf

7、.cm,由于转矩T=9550*P/n=716.25N·m，电机中心距离转臂245mm，电机转矩已经足够大，完全可以带动所要带的物体。另外，由于该系统中电机要在短时间内顺逆时针转动，所以系统要达到很高要求的稳定性，所以我们在选择装置的底盘和支架选用了较为稳固的粗木。在转臂与摆杆连接处我们选用了欧姆龙1000线编码器，编码器的轴与轴承相连接，也解决了摆杆与转臂的连接问题。在机械结构的设计当中我们一共修正了3次基本构架，也经历了很多次的调整，在这个过程中也确定了最终的最稳定的构架。2.4PID算法设计为了实现主轴旋转角度控制，我们又采用电机转动范围限制，同样的采用增量