【正文】 持?jǐn)[桿倒立靜止?fàn)顟B(tài)，通過(guò)單片機(jī)軟件采集各模擬通道 AD 值，傳遞給上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示。保證輸出 PWM 正電壓時(shí)，電機(jī)向規(guī)定正方向旋轉(zhuǎn)； PWM 輸出負(fù)電壓時(shí)，電機(jī)向規(guī)定反方向旋轉(zhuǎn)。 第六章 系統(tǒng)調(diào)試 28 初步調(diào)試 上電檢查 電路加上 24V 開(kāi)關(guān)電源之后，測(cè)量電路的工作電流和各個(gè)穩(wěn)壓電路的輸出值是否在安全范圍之內(nèi)。將角位移傳感器 AD 采集數(shù)值轉(zhuǎn)換成角速度信號(hào)，單位是176。當(dāng)需要修改的內(nèi)容都修改完畢后，或者無(wú)需修改數(shù)據(jù)時(shí)，上位機(jī)發(fā)送字符串“ Q”跳出無(wú)限循環(huán)。如果上位機(jī)的高級(jí)發(fā)碼幀格式為幀頭 +幀數(shù)據(jù)，則下位機(jī)的高級(jí)收碼程序流程圖如圖 53所示。 superior_send(2, HanterChannel)。 uint8 LowE。如果協(xié)議定義幀頭 +幀數(shù)據(jù)，則高級(jí)發(fā)碼程序中先發(fā)送一個(gè)幀頭，再發(fā)送幀數(shù)據(jù)即可。波形顯示是將高級(jí)收碼的 8 個(gè)通道數(shù)據(jù)以波形的形式顯示出來(lái)，更直接的反應(yīng)出來(lái)某個(gè)量的變化情況。 在自動(dòng)發(fā)碼表或者自動(dòng)發(fā)文件中填入需要發(fā)送到幀數(shù)據(jù)后，單擊“啟動(dòng)第五章 上位機(jī)修改參數(shù) 22 自動(dòng)發(fā)碼”即可以“！ +幀數(shù)據(jù) +字符串結(jié)束符”的幀格式發(fā)送。 串口獵人使用方法 串口獵人是一款功能非常強(qiáng)大的串口軟件，不僅可以實(shí)現(xiàn)基本的收碼發(fā)碼，還可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定幀格式，實(shí)現(xiàn)高級(jí)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(lái)，這大大方便了自平衡車的調(diào)試。} if (result=OUT_MIN){result = OUT_MIN。 result=(int)(fP+fD+fSpeedControlIntegral)。對(duì)擺桿角度進(jìn)行分段 PID 控制，不同 的角度范圍設(shè)置不同的控制參數(shù)。 LeftVal=g_fLeftMotorOut。amp。在擺桿保持直立靜止時(shí)，讀出通道的數(shù)值，便是相應(yīng)的零 偏值。 //角位移電壓值 HanterChannel[1].s16Element=(int16)g_fCarAngle。任務(wù)具體執(zhí)行時(shí)間可以通過(guò)單片機(jī)的引腳顯示出來(lái)，在進(jìn)入中斷時(shí)，測(cè)試引腳輸出高電平，退出中斷時(shí)，測(cè)試引腳輸出低電平。；按鍵值 4，從擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開(kāi)始，控制旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，盡快使擺桿擺起倒立，保持倒立狀態(tài)時(shí)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(shù)師范學(xué)院畢業(yè)論文 17 擺桿能繼續(xù)保持倒立或 2s 內(nèi)恢復(fù)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(zhuǎn)臂作圓周運(yùn)動(dòng)，并盡快使單方向轉(zhuǎn)過(guò)角度達(dá)到或超過(guò) 360176。 1）毫秒定時(shí)中斷： Timer0 硬件模塊： T0 中短周期： Period:5ms 2）電機(jī) 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(zhuǎn)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(jìn)入按鍵檢測(cè)子程序。 STC12C5410AD 單片機(jī)是屬于 51 單片機(jī)，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(kuò)展 RAM（ 256 字節(jié)）。 軟件功能與框架 軟件的主要功能包括有： （ 1）傳感器信號(hào)的采集、處理； （ 2）電機(jī) PWM 輸出； （ 3）擺桿姿態(tài)控制：倒立控制； （ 4）倒立擺運(yùn)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(shè)定：狀態(tài)顯示、上位機(jī)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)定等。 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。用于修改 PID 的參數(shù)。 此輸出信號(hào)的相位指示離開(kāi)零位的位移方向。啟動(dòng)力矩鎮(zhèn) ≤lmNm。 特點(diǎn)： 1T 流水線 /精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu) 8051CPU ： (5V 單片機(jī) )/— (3V 單片機(jī) ) ： 0— 35MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0— 420MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá) 48MHz 12K/10K/8K/6K/4K/2K 字節(jié) 512 字節(jié) RAM I/O 口（ 27/23 個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口 /弱上 拉（普通 8051 傳統(tǒng)I/O 口）可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉，推挽 /強(qiáng)上拉，僅為輸入 /高阻，開(kāi)漏，每個(gè) I/O 口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到 20mA，但整個(gè)芯片最大不得超過(guò) 55mA (在系統(tǒng)可編程 )/IAP（在應(yīng)用可編程），無(wú)需專用編程器可通過(guò)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(fù)位電路（外部晶體 20M 以下時(shí)，可省外部復(fù)位電路） ：外部高精度晶體 /時(shí)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(shí)鐘常溫下內(nèi)部 R/C 振蕩器頻率為： ，精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛袦仄?，?yīng)認(rèn)為是 4MHz— 8MHz 2 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)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(shè)計(jì) 10 （ 4 路） /PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列），也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn) 4 個(gè)定時(shí)器 4 個(gè)定時(shí)器或 4 個(gè)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。 倒立擺水平桿的動(dòng)能： ）（ 62 21 20xx ??JT M ? 在距系統(tǒng)擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)中心距離 l處取一小段距離 dl,這一小段的坐標(biāo)如下 ： 按 鍵 值 獲 取開(kāi) 始返 回A D C 采 集角 度 值 計(jì) 算倒 立 控 制 （ 27） 這一小段的動(dòng)能： 8)(2 ])()()[(221d 22211 dtdzdtdydtdxmldlT ??? 倒立擺系統(tǒng)擺桿的動(dòng)能： 吉林工程技術(shù)師范學(xué)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(shì)能面 ,則系統(tǒng)的勢(shì)能 V 即為擺桿的重力勢(shì)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。一般的 ,N 級(jí)倒立擺有 2（ N+l)個(gè)狀態(tài)變量。之所以采用欠冗余的設(shè)計(jì)是為了節(jié)約有效的空 間及經(jīng)濟(jì)成本而且是在不失系統(tǒng)可靠性的前提下進(jìn)行 ,研究者往往是為了通過(guò)對(duì)倒立擺控制系統(tǒng)的研究來(lái)獲得性能優(yōu)越的新型控制器設(shè)計(jì)方法 ,并驗(yàn)證其有效性及其控制性能。倒立擺系 統(tǒng)有兩個(gè)平衡狀態(tài) :豎直向上和豎直向下。因此，需要對(duì)該系統(tǒng) 建模，然后利用現(xiàn)代控制理論的方法進(jìn)行系統(tǒng)的可控性的研究。各種研究成果不斷涌現(xiàn) ,其中以北京師范大學(xué)李洪興教授領(lǐng)導(dǎo)的復(fù)雜系統(tǒng)智能控制實(shí)驗(yàn)室成果最為驕人。 現(xiàn)階段檢驗(yàn)?zāi)撤N控制方法或控制理論是否有較強(qiáng)的解決非線性和不穩(wěn)定性問(wèn)題的能力 ,一般都通過(guò)對(duì)倒立擺系統(tǒng)控制的研究來(lái)實(shí)現(xiàn) ,倒立擺的研究不僅有其深刻的理論意義 ,同時(shí)還有重要的工程背景。第一臺(tái)一級(jí)倒立擺系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置是根據(jù)火箭發(fā)射助推器的原理設(shè)計(jì)的。通過(guò)建立一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)檢驗(yàn)這個(gè)算法的有效性，實(shí)際測(cè)試中該算法取得了不錯(cuò)的效果。他們不斷從研究倒立 擺控制方法中發(fā)掘出新的控制方法 ,并將其應(yīng)用于航天科技和機(jī)器人學(xué)等各種高新科技領(lǐng)域。倒立擺系統(tǒng)的高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性和強(qiáng)耦合等特性使得許多現(xiàn)代控制理論的研究人員一直將它視為研究對(duì)象。本文提出了基于卡爾曼濾波的傳感器數(shù)據(jù)融合方法，彌補(bǔ)了電位器在傾角測(cè)量時(shí)的不足。 PID control 目錄 i 目 錄 第一章 緒論 .......................................................................................................... 1 課題研究的目的和意義 ............................................................................ 1 發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀 ................................................................................ 2 本文研究的主要內(nèi)容 ................................................................................ 3 第二章 倒立擺系統(tǒng)建模和定性分析 ........................................................... 4 倒立擺系統(tǒng)特性分析 ................................................................................ 4 環(huán)形一級(jí)倒立擺系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 ................................................................ 5 第三章 倒立擺的硬件設(shè)計(jì) ............................................................................. 8 整體電路框圖 ............................................................................................ 8 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 ................................................................................ 8 單片機(jī)介紹 ..................................................................................... 9 單片機(jī)最小系統(tǒng) ........................................................................... 10 姿態(tài)傳感器電路 ........................................................................................11 角位移傳感器 ................................................................................11 姿態(tài)傳感器電路 ........................................................................... 12 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 .......................................................................................... 13 電源電路 .................................................................................................. 14 第四章 倒立擺的軟件設(shè)計(jì) ........................................................................... 15 軟件功能與框架 ...................................................................................... 15 單片機(jī)的資源配置 .................................................................................. 15 主函數(shù)功能 .............................................................................................. 18 主要算法及實(shí)現(xiàn) ...............................................................................