【正文】 m stability control problem, this to solve relevant problems in the actual project to have certain guiding significance. This article first firstorder model of annular inverted pendulum is designed. Using potentiometer as attitude measuring sensor measuring constantly swinging rod posture information, By converting the analog information transmitted to 8bit single chip microputer as control core, After data processing, In order to tracking, one piece microputer control step motor by way of identification and judgment of sensing signal to operate mechanical drive system. SCM through the drive circuit on the basis of the design, by Newtonian mechanics to mathematical modeling of the system, the system state space equation is obtained. Through the modeling process, we can see that this system is an unstable nonlinear system, lays the foundation for the back of the control theory analysis control signal to drive motor with PWM way. This paper mainly studies the dynamic balance movement control, using PID control, the system of various performance indicators meet the expected requirement KEYWORDS: Inverted pendulum。第一臺一級倒立擺系統(tǒng)的實驗裝置是根據(jù)火箭發(fā)射助推器的原理設計的。 倒立擺系統(tǒng)的控制策略與雜技表演頂桿的控制技巧相似 ,很多抽象的控制理論都能夠通過倒立擺控制系統(tǒng)來表現(xiàn) ,比如系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性等 ,因此倒立擺系統(tǒng)因其成本低廉、結構簡單等優(yōu)點 ,成為驗證某一控制理論或控制方法的理想實驗平臺。 現(xiàn)階段檢驗某種控制方法或控制理論是否有較強的解決非線性和不穩(wěn)定性問題的能力 ,一般都通過對倒立擺系統(tǒng)控制的研究來實現(xiàn) ,倒立擺的研究不僅有其深刻的理論意義 ,同時還有重要的工程背景。 發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀 國際上最早報道倒立擺的研究論文是 Bryson A . 1970 年撰寫的Thesynthesis of regulator logic using statevariable control 和 等于 1976 年撰寫的 Control of unstable mechanical systemcontrol of pendulum,該兩篇文章中均應用極點配置法對倒立擺系統(tǒng)進行穩(wěn)定性控制研究 ,獲得滿意的結果。各種研究成果不斷涌現(xiàn) ,其中以北京師范大學李洪興教授領導的復雜系統(tǒng)智能控制實驗室成果最為驕人。此外 ,以中國科學院易建強等、清華大學王中大等、中國科學技術大學張冬軍等、上海交通大學付瑩、哈爾濱工業(yè)大學柏桂珍等為代表的研究團隊均在倒立擺系統(tǒng)的控制 研究方面取得了重要的突破性成就。因此，需要對該系統(tǒng) 建模，然后利用現(xiàn)代控制理論的方法進行系統(tǒng)的可控性的研究。無論那種類型的倒立擺系統(tǒng)都有如下特性： (l)藕合性。倒立擺系 統(tǒng)有兩個平衡狀態(tài) :豎直向上和豎直向下。 (4)不確定性。之所以采用欠冗余的設計是為了節(jié)約有效的空 間及經(jīng)濟成本而且是在不失系統(tǒng)可靠性的前提下進行 ,研究者往往是為了通過對倒立擺控制系統(tǒng)的研究來獲得性能優(yōu)越的新型控制器設計方法 ,并驗證其有效性及其控制性能。一般采用兩種 方法對倒立擺系統(tǒng)建模 :牛頓力學分析方法、歐拉一拉格朗日原理 (Lagrange 方程)。一般的 ,N 級倒立擺有 2（ N+l)個狀態(tài)變量。 環(huán)形一級倒立擺系統(tǒng)數(shù)學模型 忽略各種摩擦力、空氣阻力等 ,將環(huán)形倒立擺系統(tǒng)抽象成水平桿和勻質(zhì)擺桿組成的剛體系統(tǒng)。 倒立擺水平桿的動能： ）（ 62 21 20xx ??JT M ? 在距系統(tǒng)擺桿轉動中心距離 l處取一小段距離 dl,這一小段的坐標如下 ： 按 鍵 值 獲 取開 始返 回A D C 采 集角 度 值 計 算倒 立 控 制 （ 27） 這一小段的動能： 8)(2 ])()()[(221d 22211 dtdzdtdydtdxmldlT ??? 倒立擺系統(tǒng)擺桿的動能： 吉林工程技術師范學院畢業(yè)論文 7 ）（ 92 11 20?? lm dTT 以水平桿所在的水平面為零勢能面 ,則系統(tǒng)的勢能 V 即為擺桿的重力勢能： 1 0 )(2 c o s 1111 ?glmVV m ?? 則，拉格朗日方程： 11)(2 0)(d)(d1100???????????????????????LLdtuLLdt?? 其中 ,u 為水平桿上所受到的控制力矩。 圖 31 系統(tǒng)硬件框圖 其中，角位移傳感器選用 WDD35D1 角位移傳感器，該角位移傳感器是模擬量輸出。 特點： 1T 流水線 /精簡指令集結構 8051CPU ： (5V 單片機 )/— (3V 單片機 ) ： 0— 35MHz，相當于普通 8051 的 0— 420MHz，實際工作頻率可達 48MHz 12K/10K/8K/6K/4K/2K 字節(jié) 512 字節(jié) RAM I/O 口（ 27/23 個），復位后為：準雙向口 /弱上 拉（普通 8051 傳統(tǒng)I/O 口）可設置成四種模式：準雙向口 /弱上拉，推挽 /強上拉，僅為輸入 /高阻，開漏，每個 I/O 口驅動能力均可達到 20mA，但整個芯片最大不得超過 55mA (在系統(tǒng)可編程 )/IAP（在應用可編程），無需專用編程器可通過串口（ ）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片 功能 MAX810 專用復位電路（外部晶體 20M 以下時，可省外部復位電路） ：外部高精度晶體 /時鐘，內(nèi)部 R/C 振蕩器 ，可選擇是 使用內(nèi)部 R/C 振蕩器還是外部晶體/時鐘常溫下內(nèi)部 R/C 振蕩器頻率為： ，精度要求不高時，可選擇使用內(nèi)部時鐘，但因為有溫漂，應認為是 4MHz— 8MHz 2 個 16 位定時器 /計數(shù)器 2 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷， PowerDown 模式可由外部中斷低 第三章 倒立擺的硬件設計 10 （ 4 路） /PCA（可編程計數(shù)器陣列），也可用來再實現(xiàn) 4 個定時器 4 個定時器或 4 個外部中斷（上升沿中斷 /下降沿中斷均可支持） ， 10 位精度 ADC，共 8 路 （ UART） 同步通信口，主模式 /從模式 STC12C5410AD 有 28 引腳和 20 引腳兩種封裝。其標稱阻值為 1KΩ，電阻公差 177。啟動力矩鎮(zhèn) ≤lmNm。工作電壓 15V。 此輸出信號的相位指示離開零位的位移方向。 圖 35 姿態(tài)傳感器 吉林工程技術師范學院畢業(yè)論文 13 電位器檢測擺桿擺角的信號要經(jīng)過許多環(huán)節(jié)的處理 ,最終計算出 PWM 輸出脈寬控制電機轉速和方向。用于修改 PID 的參數(shù)。 第三章 倒立擺的硬件設計 14 電源電路 電源電路由 24V開關電源和常用的 LM78 系列的集成穩(wěn)壓器件組成。 圖 37 電源電路 電源電路可以分成濾波電路和穩(wěn)壓電路兩部分： （ 1）濾波電路：將輸出電壓中的交流成分加以濾除，從而得到更平滑的直流電壓。 24V 開關電源輸入220V 電壓輸出 24V 電壓。 軟件功能與框架 軟件的主要功能包括有： （ 1）傳感器信號的采集、處理； （ 2）電機 PWM 輸出； （ 3）擺桿姿態(tài)控制：倒立控制； （ 4）倒立擺運行流程控制：程序初始化、擺桿狀態(tài)監(jiān)控； （ 5）擺桿角度顯示與參數(shù)設定：狀態(tài)顯示、上位機監(jiān)控、參數(shù)設定等?？梢苑旁诔绦虻闹鞒绦蛑型瓿?。 STC12C5410AD 單片機是屬于 51 單片機，內(nèi)部集成的 512 字節(jié) RAM 分為內(nèi)部 RAM（ 256 字節(jié)）和內(nèi)部擴展 RAM（ 256 字節(jié)）。為了保證執(zhí)行效率，所以要對應關鍵的或要經(jīng)常訪問調(diào)用的變量和函數(shù)進行處理。 1）毫秒定時中斷： Timer0 硬件模塊： T0 中短周期： Period:5ms 2）電機 PWM 輸出控制： PWM PWM3 硬件模塊： PCA PCA3 3） ADC 采集通道： ADC 硬件模塊： AD0、 AD1 數(shù)值范圍： Range:0 0xFF 轉換分辨率： Resolution:10bit 4）監(jiān)控 UART 串口 硬件模塊 UART0、 T1 通訊速率： Baud:9600 初始化完成后，首先進入按鍵檢測子程序。 ~ +60176。；按鍵值 4，從擺桿處于自然下垂狀態(tài)開始，控制旋轉臂作往復旋轉運動，盡快使擺桿擺起倒立，保持倒立狀態(tài)時間不少于 10s；按鍵值 5，在擺桿保持倒立狀態(tài)下，施加干 擾后吉林工程技術師范學院畢業(yè)論文 17 擺桿能繼續(xù)保持倒立或 2s 內(nèi)恢復倒立狀態(tài)；按鍵值 6，在擺桿保持倒立狀態(tài)的前提下，旋轉臂作圓周運動，并盡快使單方向轉過角度達到或超過 360176。然后重新進入擺桿倒立可調(diào)狀態(tài)判斷過程。任務具體執(zhí)行時間可以通過單片機的引腳顯示出來，在進入中斷時，測試引腳輸出高電平，退出中斷時，測試引腳輸出低電平。主函數(shù)中循環(huán)發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)包括： ADC 采集的角位移的模擬值、計算出的擺桿角度值、 PWM 輸出值。 //角位移電壓值 HanterChannel[1].s16Element=(int16)g_fCarAngle。函數(shù)代碼均采用通用的 C 語言，單精度浮點運算。在擺桿保持直立靜止時，讀出通道的數(shù)值，便是相應的零 偏值。 void AngleCalculate(void)small { if((g_VoltageZ=325)amp。amp。角度的值的正負區(qū)分了擺桿的方向。 LeftVal=g_fLeftMotorOut。 } else 反轉 { Val=PIDControl(0,g_fAngle)。對擺桿角度進行分段 PID 控制，不同 的角度范圍設置不同的控制參數(shù)。 int result。 result=(int)(fP+fD+fSpeedControlIntegral)。amp。} if (result=OUT_MIN){result = OUT_MIN。如果每次修改參數(shù)都要重新下載程序，效率將會大大降低。 串口獵人使用方法 串口獵人是一款功能非常強大的串口軟件，不僅可以實現(xiàn)基本的收碼發(fā)碼，還可以根據(jù)實際需要設定幀格式，實現(xiàn)高級收碼發(fā)碼，不僅如此，串口獵人還可以將接收到的數(shù)據(jù)以波形、碼表、柱狀 圖等形式顯示出來，這大大方便了自平衡車的調(diào)試。 高級發(fā)碼 在實際使用中，串口發(fā)送或接收的信息要以幀形式發(fā)送，而不同情況下可能需要不同的幀格式。 在自動發(fā)碼表或者自動發(fā)文件中填入需要發(fā)送到幀數(shù)據(jù)后，單擊“啟動第五章 上位機修改參數(shù) 22 自動發(fā)碼”即可以“！ +幀數(shù)據(jù) +字符串結束符”的幀格式發(fā)送。比如接收到下位機發(fā)送格式為“幀頭 +角度值 +角速度值”的幀，為了獲得角度值和角速度值，根據(jù)協(xié)議設定幀頭，然后在通道 0 中別名填入“角度值”，來源選擇“提取每一幀”，數(shù)據(jù)格式中的首地址為角度值在每一幀中的位置；單雙字節(jié)則根據(jù)角度值占用的字節(jié)數(shù)選擇；如果雙字節(jié)數(shù)據(jù)高 8 位在前，則勾選高位在前；如存在負數(shù)，勾選帶符號位。波形顯示是將高級收碼的 8 個通道數(shù)據(jù)以波形的形式顯示出來，更直接的反應出來某個量的變化情況。上位機使用的是串口獵人這款軟件。如果協(xié)議定義幀頭 +幀數(shù)據(jù)，則高級發(fā)碼程序中先發(fā)送一個幀頭，再發(fā)送幀數(shù)據(jù)即可。 uint8 u8Element。 uint8 LowE。比如，想要觀