簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置電子設計-資料下載頁
2025-08-17 22:34本頁面
【導讀】倒立自平衡等功能。基于這些要求，經(jīng)過隊員討論并依據(jù)現(xiàn)有條件，決定分。角，使用直流減速電機控制旋轉(zhuǎn)臂動作，以此搭建系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。定來實現(xiàn)對擺桿姿態(tài)的控制。另外，為了系統(tǒng)調(diào)試方便，還設計了液晶顯示。度，PID參數(shù)修訂，擺桿動作切換等附加功能。設計并制作一套簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及其控制裝置。擺桿E通過轉(zhuǎn)軸D固定在旋。于旋轉(zhuǎn)臂C的平面作自由旋轉(zhuǎn)。使擺桿擺動，并盡快使擺角達到或超過-60°~+60°；從擺桿處于自然下垂狀態(tài)開始，盡快增大擺桿的擺動幅度，直至完成圓周運動；在擺桿處于自然下垂狀態(tài)下，外力拉起擺桿至接近165°位置，外力撤除同時，
【正文】 時間片 5計算當前旋轉(zhuǎn)臂速度控制量YES控制量 PWM輸出YES時間片累加NO中斷返回時間片清零 圖 12 1ms 定時中斷中斷函數(shù)流程圖 擺桿控制 PID 子程序流程圖 12 給定角度采集陀螺儀值采集加速度計值融合角度求偏差PID 控制輸出 PWM讀取 AD 圖 13 擺桿 PID 控制算法流程圖 13 讀取當前編碼器位置量當前位置與給定作差得 E （ k ）比例Pp ( k )= KpE ( k )積分Pi ( k )= KiE ( k )+ Pi ( k 1 )微分Pd ( k )= Kd [ E ( k )+ E ( k 1 )]P ( k )= Pp ( k )+ Pi ( k )+ Pd ( k )轉(zhuǎn)換成電機給定量PWM 輸出 圖 14 擺角位置控制 PID 算法流程圖 4 系統(tǒng)測試 測試條件與儀器 測試條件： 硬件電路和機械構(gòu)造已經(jīng)成型。 測試儀器： 量角器，無線串口，計算機， 5g 砝碼。 14 測試結(jié)果及分析 測量擺角 時間 /s 2 4 6 8 10 12 14 16 擺臂 /度 10 30 40 45 60 80 90 80 時間 /s 18 20 22 24 26 28 30 32 擺臂 /度 120 130 150 70 90 90 80 90 圓周運動 時間 /s 4 8 12 16 20 24 28 32 擺臂 /度 30 60 150 完成圓周運動 由 165 度直立 時間 /s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 擺臂 /度 177。 30 177。 30 177。 30 177。 30 177。 25 177。 25 177。 25 177。 15 177。 15 擺桿 /度 180177。10 180177。 5 180177。 3 180 180 180 180 180 180 時間 /s 10 11 12 13 14 15 16 17 18 擺臂 /度 177。 15 177。 10 177。 10 177。 10 177。 10 177。 5 平衡點 平衡點 平衡點 擺桿 /度 180 180 180 180 180 180 180 180 180 砝碼干擾 時間 /s 0 2 4 6 8 10 12 14 16 擺臂 /度 177。 30 177。 10 177。 5 177。 5 177。 5 177。 5 177。 5 177。 5 177。 5 擺桿 /度 180177。15 180177。 5 180 180 180 180 180 180 180 360 度旋轉(zhuǎn) 圈數(shù) 1 2 3 4 5 ... 擺桿 /度 180 180 180 180 180 ... 直到數(shù)據(jù) 線纏繞 15 自起擺：偶爾成功 測試分析與結(jié)論 根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)， 本倒立擺可以在規(guī)定時間內(nèi)完成正負 60 度以上范圍的擺動及圓周運動?？梢苑€(wěn)定直立，做定角度旋轉(zhuǎn)和勻速圓周運動，可以輕松做到旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn) 360度同時保持擺桿直立。與此同時，本倒立擺抗擾動能力較強，可以較快恢復直立狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)臂的控制也較為精確。基本完成了題目所要求的功能。 另一方面，有時擺桿會出現(xiàn)快速小振幅抖動，這和擺桿軸部過于寬松，電機齒輪固定方式等都有很大的關系，主要是機械結(jié)構(gòu)的設計和加工方面缺乏 經(jīng)驗所致。自起擺功能不穩(wěn)定，由于采用了加速度 計陀螺儀方式采集擺桿角度信息，傳感器的固定使得擺桿重心難以確定，自起功能受到限制，如果采用高精度編碼器或角度傳感器則可以避免在擺桿上固定傳感器，從而比較容易地完成功能。 參考文獻： [1] 潘新民 王燕芳， 《微型計算機控制技術（第二版）》 ，北京：電子工業(yè)出版社， 2020. [2] 胡壽松， 《自動控制原理（第五版）》 ，北京：科學出版社， 2020. [3] 張鳳眾， 基于 80C51 單片機的圓形倒立擺系統(tǒng)設計 ， 碩士論文， 2020. [4] 王宜懷 吳瑾 蔣銀珍， 《嵌入式系統(tǒng)原理與實踐 — ARM CortexM4 Kiis 微控制器》 ，北京：電子工業(yè)出版社 . 16 附錄 1：電路原理圖 17
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