基于arm的倒立摆系统毕业设计

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1、基于ARM的倒立摆系统毕业设计目录第一章倒立摆系统概述11.1倒立摆系统的基本概念11.2倒立摆控制模型及其原理简介11.3倒立摆系统的应用和稳定性研究的意义31.4国内外研究现状和新趋势31.4.1倒立摆控制的现状和新趋势31.4.2实时仿真的研究现状41.5本课题的研究内容5第二章单级倒立摆控制系统硬件设计72.1系统总体设计方案72.1.1系统的总体结构72.1.2控制系统机械结构设计92.2倒立摆的控制要求92.3倒立摆系统中通讯控制系统的选型102.4ARM最小系统102.5直流电机及其驱动电路1342.5.1直流电机

2、的结构及原理132.5.2电机驱动电路的设计142.6传感器的选择162.6.1旋转编码器的选型182.7红外线检测反馈192.8小车限位开关20第三章直线一级倒立摆的建模分析223.1一阶倒立摆总体分析223.1.1模型参数说明223.1.2模型牛顿定律受力分析233.2模型受力传递函数243.3模型的状态空间方程253.4系统分析26第四章倒立摆控制系统的算法研究比较284.1倒立摆系统的PID控制算法设计284.1.1理论分析284.1.2仿真实验314.2倒立摆系统控制算法的状态空间法设计324.2.1LQR控制器设计与

3、调节324.3分阶段起摆的控制实现364.3.1分阶段起摆及其稳摆控制器的设计364.3.2小车位置跟踪404第五章单级倒立摆控制系统的软件设计415.1开发软件系统介绍415.1.1ADS集成开发环境及EasyJTAG仿真器的使用415.1.2ADS1.2集成开发环境的组成425.1.3EasyJTAG仿真器简介435.2ARM总体设计及流程图445.2.1系统初始化模块445.2.2数据采集及滤波模块455.2.3串口通信模块465.2.4倒立摆倒立平衡控制控制计算实现465.3控制倒立摆起摆的程序485.3安全检测495.

4、4采样周期选择495.5仿真结果和实际控制情况比较49第六章总结和展望516.1研究总结516.2研究展望51参考文献52致谢55附录一L298芯片57附录二外围电路58附录三ARM2131开发板及其倒立摆实物图594附录四程序清单614江西理工大学2007届本科毕业设计（论文）第一章倒立摆系统概述1.1倒立摆系统的基本概念倒立摆是典型的非线性控制系统，它的控制原理是步行机器人的研究基础，也是典型机器人手臂的模型。由于它的严重非线性和高阶次，它可以用来研究各种控制算法。现实生活中有很多现象都是一个倒立摆的模型，比如说搬运火箭的发

5、射车、行驶的自行车甚至直立的人。既然实际生活中存在着如此多的倒立摆现象，研究倒立摆的控制算法也就有着广泛的应用。倒立摆控制理论产生的方法和技术将在半导体及精密仪器加工、机器人技术、导弹拦截控制系统、航空器对接控制技术等方面具有广阔的开发利用前景。倒立摆按照运动方式分为直线运动的小车式倒立摆和旋转式倒立摆。小车式倒立摆通过控制小车的运动速度，改变小车和小车上的倒立摆之间的相对速度，使倒立摆维持在平衡状态。本文研究的便是直线运动的小车式倒立摆。旋转式倒立摆通过控制电机的旋转速度控制旋臂的角度位置和速度，从而控制摆杆的平衡。倒立摆按照

6、摆臂的级数分为单级倒立摆、二级倒立摆、多级倒立摆。随着级数的增长，倒立摆的模型也越来越复杂，非线性程度越来越大，其控制也越来越困难。单级倒立摆是研究多级倒立摆的基础。倒立摆还可以根据摆杆的刚性程度分为刚性摆杆的倒立摆和柔性摆杆的倒立摆。刚性杆的倒立摆可以根据牛顿力学方程和能量守恒定律建立系统的模型，而柔性杆的倒立摆则随着杆的柔性系数的变化而成为变结构的倒立摆，其精确模型的建立比较困难。卫星的太阳能电池的接收翼便是柔性杆的例子。倒立摆控制算法的研究包括：变结构控制、拟人的智能控制算法、模糊遗传控制算法以及预测控制等。这些算法都有一

7、个共同点：不需要精确的数学模型。这是由于多级倒立摆模型的非线性，对它建立精确的模型是不可能的，也是没有意义的，在这种模型上的控制就更加不确定。而对倒立摆所作的硬件应用研究并不是很多，大部分是PC机控制的倒立摆，算法大多在MATLAB中实现。倒立摆作为一种实验装置，具有直观、形象、简单的特点，而且其形状和参数都易于改变。但是作为一个被控对象，它同时又是一个相当复杂的、高阶次、多变量、非线性、强耦合、不确定的绝对不稳定系统，必须施加十分经典而具有挑战性的问题，许多新的实时控制理论都通过倒立摆控制试验来加以验证。从工程背景来讲，小到日

8、常生活中所见到的各种重心在上、支点在下的物体的稳定问题，大到火箭的垂直发射控制等关键技术问题，都与倒立摆控制有很大的相似性。因此，倒立摆成为控制领域中经久不衰的研究课题，有人将它喻为“任何一个自动控制部门追求的皇冠上的明珠”。简单的一级倒立摆可以用于自动控制的教