【正文】 unionx HanterChannel[8]。但由于作者本身的學(xué)識有限，系統(tǒng)設(shè)計仍然存在眾多不足。 電機(jī)死區(qū)常數(shù)整定 在倒立擺動力傳動系統(tǒng)中，各個環(huán)節(jié)都存在著靜止摩擦力，它會降低 擺桿靜態(tài)穩(wěn)定性。隨著這兩個參數(shù)逐步增大，擺桿開始能夠保持倒立。 姿態(tài)傳感器采集 STC12C5410AD 單片機(jī)具有 8 個通道的 AD 轉(zhuǎn)換。 / 秒。 通過高級收碼程序，將接收到 的數(shù)據(jù)保存在指針 P 指向的位置。 }u8struct。當(dāng)設(shè)置好高級收碼后，只要單擊“啟動波形顯示”，接收到的信息就可以在波形顯示窗口顯示出來。 基本收碼發(fā)碼 基本功能使用非常簡單，點擊“重新搜索串口”，選擇正確的端口號，再單擊“啟動串行端口”，當(dāng)串口開啟狀態(tài)為綠色即表示對應(yīng)的端口成功開啟。 fDeltaOld=fDeltaNew。 if(LeftVal0) 正轉(zhuǎn) { Val=PIDControl(0,g_fAngle)。這個數(shù)值會帶有一定的誤差，往往會使得擺桿往一個方向傾斜。 這些任務(wù)包括： （ 1）按鍵值檢測，判定倒立擺執(zhí)行哪項任務(wù)； （ 2）啟動 AD 轉(zhuǎn)換。該程序通過讀取按鍵狀態(tài)判斷倒立擺執(zhí)行的任務(wù)項。 上述功能可以分成兩大類： 第一類包括 13 功能，它們屬于需要精確時間周期執(zhí)行，因此可以在一個周期定時中斷里完成。 電機(jī)驅(qū)動電路 本系統(tǒng)的控制電機(jī)為直流電機(jī)，所以采用由驅(qū)動芯片 BTC7970B 組成的驅(qū)動電路。旋轉(zhuǎn)負(fù)荷壽命 50106 圈 (400r/min,每隔 15min 反轉(zhuǎn) )。在倒立擺系統(tǒng)實物控制中 ,采用水平擺桿的角加速度作為輸入即 : 0??u 。 針對上述倒立擺系統(tǒng)的特性 ,在建模時一般忽略掉系統(tǒng)中一些次要的難以建模的因素 ,例如擺桿連接處質(zhì)量分布不均勻、伺服電機(jī)由于安裝而產(chǎn)生的靜摩擦力、空氣阻力、系統(tǒng)連接處的松弛程度、傳動齒輪的間隙等等。 本文運用經(jīng)典力學(xué)理論首先建立倒立擺系統(tǒng)的運動力學(xué)方程，然后通過分析，推出一階環(huán)形倒立擺的數(shù)學(xué)模型。從日常生活中所見到的空間飛行器和各種伺服云 臺的穩(wěn)定 ,到任何重心在上、支點在下的控制問題 ,都類似于倒立擺的控制 ,故對倒立擺系統(tǒng)的穩(wěn)定控制研究在實際中有很多應(yīng)用 ,如火箭發(fā)射、海上鉆井平臺以及衛(wèi)星發(fā)射架的穩(wěn)定控制、化工過程控制、控制飛機(jī)安全著陸等都屬于這類問題。 本文主要研究自平衡運動的動態(tài)控制，利用 PID 控制，使系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)均滿足預(yù)期的要求。許多抽象的控制概念如控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可控性、系統(tǒng)收斂速度和系統(tǒng)抗干擾能力等 ,都可以通過倒立擺系統(tǒng)直觀的表現(xiàn)出來。 Data fusion。該文采用降階觀測器這樣簡單的模擬控制器 , 實現(xiàn)了對二級倒立擺的控制 ,系統(tǒng)受到大的干擾或人為改變實際模型參數(shù)時 , 能非常穩(wěn)定的工作。這既是使得控制器參數(shù)調(diào)節(jié)、控制系統(tǒng)的設(shè)計變得復(fù)雜的原因 ,也是采用單電機(jī)驅(qū)動倒立擺系統(tǒng)的原因。 在建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型過程中 ,實際物理系統(tǒng)的方向應(yīng)與所定義的坐標(biāo)系原點及方向?qū)?yīng)。 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 作為控制系統(tǒng)最重要的部分，單片機(jī)最小系統(tǒng)需要采集擺桿的運動狀態(tài)，并對采集的信息進(jìn)行處理計算，控制電機(jī)實現(xiàn)擺桿的穩(wěn)定倒立，同時還要完吉林工程技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)論文 9 成與上位機(jī)之間的通信，所以單片機(jī)最小系統(tǒng)會影響車模的控制效果。 該傳感器采用特殊形狀的轉(zhuǎn)子和線繞線圈，模擬線性可變差動傳感器（ LVDT）的線性位移，有 較高的可靠性和性能，轉(zhuǎn)子軸的旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生線性輸出信號，圍繞出廠預(yù)置的零位移動 177。這里主要介紹 LM7805 穩(wěn)壓電路。 單片機(jī)的資源配置 STC12C5410AD 單片機(jī)內(nèi)部有 10K 字節(jié)的 FLASH 程序存儲區(qū)， 512 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲區(qū)，定時器 T0 和 T1， PCA 定時器 4 路，一個 UART 串口， 2K字節(jié)的 EEPROM， 8 路 AD 轉(zhuǎn)換。按鍵值 2, 從擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開始，盡快增大擺桿的擺動幅度，直至完成圓周運動；按鍵值 3，在擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)下，外力拉起擺桿至接近 165176。 for(。(g_VoltageZ=1024)) { g_fGravityAngle =(g_VoltageZZ_OFFSET)*GRAVITY_ANGLE_RATIO。 PWM1(Val)。fI=0。在高級發(fā)碼 中，有幀格式設(shè)置一欄，可以設(shè)置幀格式。軟件發(fā)送的為字符串，所以下位機(jī)程序需要將字符串轉(zhuǎn)換成浮點型數(shù)據(jù)。 HanterChannel[0].s16Element=(int16) (g_fCarAngle*)。然后將指針 pBufferTemp 作為參數(shù)傳遞給str2f 函數(shù)，然后將 str2f 函數(shù)的返回值賦值給需要修改值的變量。效果圖如圖 61 所示。圖 62 是通過上微機(jī)顯示的角位移傳感器采集的波形。微分參數(shù)過大時會使得擺桿在電機(jī)的驅(qū)動下產(chǎn)生擺桿的共振。當(dāng)死區(qū)常數(shù)過大時，會出現(xiàn)擺桿電機(jī)震動現(xiàn)象。 （ 3）對通信控制和顯示數(shù)據(jù)管理沒有做到優(yōu)化。 lite_printf(Please Update the GVAL\n)。 （ 2）上位機(jī)可采用 Labview、 VC、 VB 等開發(fā)系統(tǒng)的開發(fā)專業(yè)的調(diào)試、監(jiān)控界面； （ 3）采用卡爾曼濾波算法，實現(xiàn)傳感器融合，獲取倒立擺運行姿態(tài)。 （ 4）通過無線電控制字符來設(shè)置和查詢機(jī)器人的工作狀態(tài)，簡單地實現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制。然后適當(dāng)減小微分參數(shù)，然后逐步增加比例積分參數(shù)，直到擺桿又開始震蕩，這樣便可以確定比例參數(shù)的最大值。 角位移 AD 值 第六章 系統(tǒng)調(diào)試 30 角位移傳感器的最大值和最小值可以用來確定角位移傳感器對應(yīng)角度的比例值 ： m a x m in1 8 0 ( )zR Z Z??。 UART 不僅可以提高程序的下載，同時在上位串口監(jiān)控程序的協(xié)助下來顯示程序運行過程中發(fā)送的串口字符，便 于調(diào)試程序。實際優(yōu)化參數(shù)需要通過一定的工程步驟最終確定，這個過程稱為參數(shù)整定。但是倒立擺的系統(tǒng)參數(shù)多為浮點型數(shù)據(jù)，串口不能直接發(fā)送浮點型數(shù)據(jù)，而把浮點型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制形式又太過復(fù)雜，并且十六進(jìn)制數(shù)據(jù)也不易于修改。 uint8 u8Element。比如接收到下位機(jī)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(shè)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(fù)數(shù)，勾選帶符號位。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。 int result。角度的值的正負(fù)區(qū)分了擺桿的方向。函數(shù)代碼均采用通用的 C 語言，單精度浮點運算。然后重新進(jìn)入擺桿倒立可調(diào)狀態(tài)判斷過程。為了保證執(zhí)行效率，所以要對應(yīng)關(guān)鍵的或要經(jīng)常訪問調(diào)用的變量和函數(shù)進(jìn)行處理。 24V 開關(guān)電源輸入220V 電壓輸出 24V 電壓。 圖 35 姿態(tài)傳感器 吉林工程技術(shù)師范學(xué)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(jī)轉(zhuǎn)速和方向。其標(biāo)稱阻值為 1KΩ，電阻公差 177。 環(huán)形一級倒立擺系統(tǒng)數(shù)學(xué)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)。 (4)不確定性。此外 ,以中國科學(xué)院易建強(qiáng)等、清華大學(xué)王中大等、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張冬軍等、上海交通大學(xué)付瑩、哈爾濱工業(yè)大學(xué)柏桂珍等為代表的研究團(tuán)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。 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(jié)構(gòu)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。 在設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過牛頓力學(xué)對 這個系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，得到系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程。使用電位器作為姿態(tài)測量傳感器不斷測量擺桿的的姿態(tài)信息，通過轉(zhuǎn)換這些模擬信息傳送給作為控制核心的 8 位單片機(jī)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，單片機(jī)通過驅(qū)動電路將控制信號以 PWM 方式去驅(qū)動直流電機(jī)的，達(dá)到調(diào)節(jié)擺桿姿態(tài)的目的。 20xx 年 7 月 ,北京師范大學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)智能控制實驗室在李洪興教授的帶領(lǐng)下采用“變論域自適應(yīng)模糊控制理論”成功實現(xiàn)了對平面三級倒立擺實物系統(tǒng)的控制 ,這代表了世界范圍內(nèi)平面倒立擺系統(tǒng)領(lǐng)域的最先水平。該項成果已達(dá)到國際先進(jìn)水平甚至國際領(lǐng)先水平。倒立擺控制系統(tǒng)可以應(yīng)用微分幾何方法進(jìn)行分析 ,因為它是一種典型的放射非線性系統(tǒng)。一般情況下 ,i=1 時 ,即是單電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)。 吉林工程技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)論文 11 圖 33 單片機(jī)最小系統(tǒng) 姿態(tài)傳感器電路 角位移傳感器 本系統(tǒng)所使用的是精密導(dǎo)電塑料電位器，型號為 WDD35D4。 姿態(tài)傳感器電路 擺桿在不同角度時，利 用角位移傳感器測出不同的模擬電壓輸出，經(jīng)過算法處理后可以獲得擺桿的傾角，姿態(tài)傳感器電路如圖 35 所示。 本系統(tǒng)用到的是 24V 開關(guān)電源和 LM7805 穩(wěn)壓電路 。這樣設(shè)置后雖然數(shù)據(jù)存儲區(qū)的空間大了，但是默認(rèn)方式下變量會存放在 xdata 中，而 xdata 的尋址速度會比 data 區(qū)慢。失去倒立可調(diào)狀態(tài)判斷可以通過擺桿傾角是否超過一定范圍進(jìn)行確定，一旦擺桿失去倒立可調(diào)狀態(tài)，則停止倒立擺運行。 } 主要算法及實現(xiàn) 本節(jié)將對主要控制函數(shù)進(jìn)行說明。 擺干角度 } 倒立控制函數(shù) 在角度函數(shù)中 ,我們得到了擺桿的傾角。 float fP,fD,fI。 } 吉林工程技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)論文 21 第五章 上位機(jī)修改參數(shù) 為了使倒立 擺系統(tǒng)實現(xiàn)倒立并具有良好的穩(wěn)定性，調(diào)試過程中需要修改很多參數(shù)。 幀結(jié)束判定根據(jù)下位機(jī)的協(xié)議設(shè)定， 8 個通道可以同時提取同一幀中的 8個信息。 typedef union _uinonx { uint16 u16Element。 下位機(jī)的高級收碼程序設(shè)計 為了后期調(diào)試方便，提高調(diào)試效率，采用上位機(jī)調(diào)試參數(shù) 。但是由于受到倒立擺模型精度的影響，計算所得到的參數(shù)也只能夠作為參考值 —— 調(diào)試的起始范圍。該單片機(jī)在出場后內(nèi)部就有一個自舉編程 (Bootloader)程序，通過 UART 串口便可以將用戶程序下載下去。通過旋轉(zhuǎn)角位移傳感器的轉(zhuǎn)軸，測得角位移傳感器最大值為1024，最小值為 0。增大微分參數(shù)直到擺桿開始共振，這樣就可以確定微分參數(shù)的最大值了。 （ 3）對于語音識別系統(tǒng)和語音播報系統(tǒng)進(jìn)行了大量的實驗調(diào)試，語音識別技術(shù)可拓展應(yīng)用于智能家居等領(lǐng)域。 （ 1）設(shè)計系統(tǒng)時的充分考慮器件的性能和成本 。 StartT0。各種延時程序也不盡合理。 吉林工程技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)論文 31 第七章 總結(jié)與展望 工作總結(jié) 本系統(tǒng)采用基于 8 位單片機(jī)的倒立擺控制系統(tǒng)。 調(diào)節(jié)參數(shù)可以遵循先比例積分后微分的過程。 吉林工程技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)論文 29 圖 62 角位移傳感器的 AD 值 角位移傳感器的電壓輸出和旋轉(zhuǎn)角度成線性關(guān)系 ,采集的 AD 值波形顯示符合理論說明。 圖 61 擺桿方向規(guī)定 倒立擺電路進(jìn)行初步調(diào)試為后面的倒立擺軟 件參數(shù)打下基礎(chǔ)。 主程序中，在無限循環(huán)中調(diào)用 superior_receive 函數(shù)將接收的串口數(shù)據(jù)保持到緩存區(qū)中，然后調(diào)用 CmdEWREEPROM 函數(shù)將接收的數(shù)據(jù)存入 EEPROM中。 HanterChannel[1].s16Element=(int16)( g_fGyroscopeAngleSpeed*)。 下位機(jī)的高級發(fā)碼程序設(shè)計 下位機(jī)執(zhí)行高級發(fā)碼程序時，上位機(jī)對應(yīng)著采用高級收碼模式。比如需要幀格式為“！ +幀數(shù)據(jù) +字符串結(jié)束符”，可以在格式代碼中填入 1D5，同時在 1（ 幀頭）中填！， 5（特殊字節(jié) 1）中填入字符串結(jié)束符的 HEX 碼 00。result=0。 } } PID 控制是程序的核心部分，為了實現(xiàn)擺桿倒立的精確控制。 } 吉林工程技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)論文 19 if((g_VoltageZ=0)amp。) { ===向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù) 方便觀測 === HanterChannel[0].s16Element=(int16)g_VoltageZ。位置，外力撤除同時，啟動控制旋轉(zhuǎn)臂使擺桿保持倒立狀態(tài)時間不少于 5s；期間旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動角度不大于 90176。其中 PCA 可產(chǎn)生 8 位 PWM，也可配置為捕捉或計數(shù)功能。 LM7805 外圍電路簡單，具有大電流輸出（約 1A）、過流保護(hù)等優(yōu)點，如圖 37 所示。60（總共 120）度。 單片機(jī) 介紹 STC12C5410 系列單片機(jī)是單時鐘 /機(jī)器周期（ 1T）的兼容 8051 內(nèi) 核單片機(jī)，是高速 /低功耗的新一代 8051 單片機(jī)，全新的流水線 /精簡指令集結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路。 通過建模我們發(fā)現(xiàn) ,對于一級柔性連接倒立擺和一級平面倒立擺系統(tǒng)都有六個狀態(tài)變量 ,而環(huán)形一級倒立擺有四個狀態(tài)變量 ,環(huán)形二級倒立擺有六個 狀態(tài)變量。 (2)開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)。這一研究成果激發(fā)了