【導(dǎo)讀】倒立擺穩(wěn)定控制是一個經(jīng)典的控制問題。作為典型的快速、多變量、非。的用途,因此倒立擺系統(tǒng)的研究具有重要的理論研究和實際應(yīng)用價值。力等,都可以通過倒立擺系統(tǒng)直觀的表現(xiàn)出來。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)用于航天科技和機器人學(xué)等各種高新科技領(lǐng)域。關(guān)問題有一定的指導(dǎo)意義。本文首先設(shè)計了一階環(huán)形倒立擺的模型。路將控制信號以PWM方式去驅(qū)動直流電機的，達到調(diào)節(jié)擺桿姿態(tài)的目的。通過這個建模的過程，可以看出這個系統(tǒng)是一個不穩(wěn)定的非。線性系統(tǒng)，也為后面的控制理論分析打下基礎(chǔ)。對該系統(tǒng)姿態(tài)的測量將直接影響自平衡控制算法的效果。于卡爾曼濾波的傳感器數(shù)據(jù)融合方法，彌補了電位器在傾角測量時的不足。能指標均滿足預(yù)期的要求。

　　

【正文】 ment 元素后，在 struct _u8struct 中的 High 和 LowE 元素即為 uint16 型數(shù)據(jù)的高位字節(jié)和低位字節(jié)，方便串口發(fā)送。 typedef union _uinonx { uint16 u16Element。 uint8 u8Element。 int16 s16Element。 int8 s8Element。 第五章 上位機修改參數(shù) 24 struct _u8struct { uint8 HighE。 uint8 LowE。 }u8struct。 }unionx, *ptrunionx。 開 始i小 于 要 發(fā) 送 的 數(shù)據(jù) 個 數(shù)發(fā) 送 幀 長發(fā) 送 指 針 P t r指 向 數(shù)據(jù) 的 高 位 字 節(jié) 元 素返 回發(fā) 送 幀 頭i清 零i加 一指 針 P t r指 向 下一 個 數(shù) 據(jù)發(fā) 送 指 針 P t r指 向 數(shù)據(jù) 的 低 位 字 節(jié) 元 素N 圖 52 高級發(fā)碼流程圖 開 始接 收 的 數(shù) 據(jù)不 是 幀 頭 ？te m p 不 是 結(jié)束 符 ？將 接 收 到 的 數(shù)據(jù) 存 到 te m p將 te m p 存 儲 到 指 針 p指 向 的 位 置 ， 并 將 p指 向 下 一 個 位 置返 回YY 圖 53 高級收碼流程圖 這樣就可以向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)了。比如，想要觀測當前擺桿的角度值，吉林工程技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)論文 25 可以將數(shù)據(jù)測得的擺桿角度值存在 unionx 類型的數(shù)據(jù)HanterChannel[x].s16Element 中，再調(diào)用 void superior_send(uint8 DataCount, ptrunionx Ptr)。函數(shù)即可。 HanterChannel[0].s16Element=(int16) (g_fCarAngle*)。 HanterChannel[1].s16Element=(int16)( g_fGyroscopeAngleSpeed*)。 superior_send(2, HanterChannel)。 串口獵人設(shè)定好波特率，并在高級收碼的通道 0 中數(shù)據(jù)格式中設(shè)置首地址為 1，雙字節(jié)，勾選高位在前和帶符號位，在通道 1 中設(shè)置首地址為 3，其他同上。啟動高級收碼就可以接收到車模的角度值和角速度值。 下位機的高級收碼程序設(shè)計 為了后期調(diào)試方便，提高調(diào)試效率，采用上位機調(diào)試參數(shù) 。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)換成十六進制形式又太過復(fù)雜，并且十六進制數(shù)據(jù)也不易于修改。所以事先規(guī)定上位機通過串口傳來的指令、參數(shù)全部以字符串的形式發(fā)送，例如 就要發(fā)送字符串“ ”，這樣只要下位機串口只要接收字符串就可以了。使用浮點型數(shù)據(jù)時再將字符串轉(zhuǎn)換成浮點型數(shù)據(jù)即可。 當上位機高級發(fā)碼時，下位機應(yīng)該有相應(yīng)的高級收碼程序。如果上位機的高級發(fā)碼幀格式為幀頭 +幀數(shù)據(jù)，則下位機的高級收碼程序流程圖如圖 53所示。 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。 上位機修改參數(shù) 要實現(xiàn)上位機修改倒立擺的參數(shù)功能，還需要把 EEPROM 中存儲的字符串轉(zhuǎn)換成正確的浮點型數(shù)據(jù)。為了將字符串轉(zhuǎn)換成正確的浮點型數(shù)據(jù)需要設(shè)計字符串轉(zhuǎn)浮點型的函數(shù)。 將字符串“ ”作為參數(shù)傳遞給 str2f 函數(shù)， str2f 函數(shù)將轉(zhuǎn)換成浮點型數(shù)據(jù) 返回。 第五章 上位機修改參數(shù) 26 要將 EEPROM 中存放的字符串轉(zhuǎn)換成浮點型數(shù)據(jù)，還需要設(shè)計程序updateGVAL 函數(shù)， updateGVAL 函數(shù)調(diào)用 CmdEWREEPROM(R:xx:yyy:z, pBufferTemp)在 xx 扇區(qū) yyy 處讀取 z 個字節(jié)長度的數(shù)據(jù)保存到指針pBufferTemp 指向的數(shù)組緩存區(qū)。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。 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。當需要修改的內(nèi)容都修改完畢后，或者無需修改數(shù)據(jù)時，上位機發(fā)送字符串“ Q”跳出無限循環(huán)。然后調(diào)用 updatGVAL 函數(shù)，讀取 EEPROM 中的值，對倒立擺模型參數(shù)進行賦值，這樣就實現(xiàn)了上位機修改倒立擺的系統(tǒng)參數(shù)。 吉林工程技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)論文 27 第六章 系統(tǒng)調(diào)試 前面給出的算法程序存在很多參數(shù)，雖然從理論上可以對這些參數(shù)進行優(yōu)化計算。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。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。 整個調(diào)試中涉及到的參數(shù)和部件非常多，而且這些參數(shù)之間還有著緊密的相互影響。如果對于其中的物理過程認識不清，有沒有正確的調(diào)試步驟，那么在調(diào)試過程中出現(xiàn)的各種錯誤現(xiàn)象就會掩蓋正確的原因，影響整個調(diào)試進 程。 首先確定需要整定的倒立擺控制參數(shù)，這些參數(shù)為： 傳感器參數(shù)： GYROR ：角位移傳感器比例。將角位移傳感器 AD 采集數(shù)值轉(zhuǎn)換成角速度信號，單位是176。 / 秒。 GYROC ：角位移零點偏移量。角位移靜止時 AD 采集量。 標定這些參數(shù)需要考慮輸入輸出參數(shù)的單位量綱。 倒立擺角度刻度盤正面看去規(guī)定正角度值為正方向，負角度值為反方向。效果圖如圖 61 所示。 圖 61 擺桿方向規(guī)定 倒立擺電路進行初步調(diào)試為后面的倒立擺軟 件參數(shù)打下基礎(chǔ)。 第六章 系統(tǒng)調(diào)試 28 初步調(diào)試 上電檢查 電路加上 24V 開關(guān)電源之后，測量電路的工作電流和各個穩(wěn)壓電路的輸出值是否在安全范圍之內(nèi)。設(shè)計電路中包括有 24V ， ， 5V 三種電源。 單片機程序下載和通信 STC12C5410AD 單片機具有在系統(tǒng)編程 (ISP)能力。該單片機在出場后內(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。 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。 測試 PWM 輸出 在單片機軟件可以進行開發(fā)下載基礎(chǔ)之上，編寫單片機 PWM 輸出控制程序。通過控制電機轉(zhuǎn)速，驗證驅(qū)動電路的正確性。確定兩個電極輸出電壓的極性。保證輸出 PWM 正電壓時，電機向規(guī)定正方向旋轉(zhuǎn)； PWM 輸出負電壓時，電機向規(guī)定反方向旋轉(zhuǎn)。 姿態(tài)傳感器采集 STC12C5410AD 單片機具有 8 個通道的 AD 轉(zhuǎn)換。設(shè)計方案應(yīng)用了其中1 個通道。編寫 AD 轉(zhuǎn)換程序，將采集的數(shù)值發(fā)送給上微機進行顯示。通過觀察各通道的采集值，確認各傳感器工作狀態(tài)，信號動態(tài)范圍以及各通道噪 聲的影響。最好能夠?qū)⒏魍ǖ啦杉臄?shù)值通過曲線顯示，可以比較直觀的觀察信號的變化和噪聲的幅度。圖 62 是通過上微機顯示的角位移傳感器采集的波形。 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。 倒立控制調(diào)試 測量傳感器零點偏移量 保持擺桿倒立靜止狀態(tài)，通過單片機軟件采集各模擬通道 AD 值，傳遞給上位計算機進行顯示。確定傳感器的零點偏移量，通過測量得到角位移傳感器的零點偏移量為 857。 標定角位移傳感器比例值 為了確定角位移傳感器輸出電壓和角度的關(guān)系，我們需要確定角位移傳感器的比例值。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。 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??。通過這個比例可以將角位移傳感器的信號轉(zhuǎn)換成角度信號，單位是度。 倒立控制參數(shù)整定 角度控制參數(shù)包括比例、積分和微分三個參數(shù)。比例參數(shù)（ angleP ）和積分參數(shù)相當于倒立擺的回復(fù)力。參數(shù)需要大于重力加 速度所產(chǎn)生的效果才能夠使得擺桿保持倒立。隨著這兩個參數(shù)逐步增大，擺桿開始能夠保持倒立。該參數(shù)進一步加大，擺桿開始出現(xiàn)來回的擺動現(xiàn)象。微分參數(shù)（ angleD ）相當于倒立擺中的阻尼力，它可以有效的抑制擺桿的擺動。當該參數(shù)過大時，會引起擺桿本身的震動。這是由于擺桿本身不是一個剛體，擺桿具有一定的共振頻率。微分參數(shù)過大時會使得擺桿在電機的驅(qū)動下產(chǎn)生擺桿的共振。 調(diào)節(jié)參數(shù)可以遵循先比例積分后微分的過程。首先調(diào)整比例積分參數(shù)，使得擺桿能夠保持直立并且開始來回擺動了。說明此時比例積分參 數(shù)已經(jīng)可以克服重力的影像。然后逐步增加微分參數(shù)，擺桿逐步保持直立穩(wěn)定。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。然后適當減小微分參數(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。然后適當減小比例參數(shù)。在這些參數(shù)附近進行試驗，直到尋找到一組擺桿倒立的控制最優(yōu)參數(shù)。 擺桿保持倒立的比例、積分和微分控制參數(shù)有一個相當大的區(qū)間。這為后面進行擺桿動態(tài)參數(shù)調(diào)整留下了修改空間。 電機死區(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。可以通過給電機控制電壓增加一個死區(qū)常數(shù)來克服。 調(diào)整死區(qū)常數(shù)時，需要保持擺桿的倒立靜止。死區(qū)常數(shù)為 0 時，擺桿會在靜止狀態(tài)出現(xiàn)來回小幅度的來回運動。通過逐步增加死區(qū)常數(shù)，擺桿來回運動現(xiàn)象逐步消失。當死區(qū)常數(shù)過大時，會出現(xiàn)擺桿電機震動現(xiàn)象。 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 位單片機的倒立擺控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過使用最為廣泛、低成本的 STC12C5410AD 單片機為控制器，使用角位移傳感器獲取擺桿運行姿態(tài)，通過 PID 算法實現(xiàn)倒立擺倒立平衡控制。 本人在項目研究過程中所做的 工作有 : （ 1）查閱了大量的論文和資料，了解了倒立擺的發(fā)展情況，結(jié)合本項目的實際情況，確定了基于角位移傳感器的倒立擺實施方案。 （ 2）系統(tǒng)了解了無線收發(fā)原理和相關(guān)技術(shù)。 （ 3）對于語音識別系統(tǒng)和語音播報系統(tǒng)進行了大量的實驗調(diào)試，語音識別技術(shù)可拓展應(yīng)用于智能家居等領(lǐng)域。 （ 4）通過無線電控制字符來設(shè)置和查詢機器人的工作狀態(tài)，簡單地實現(xiàn)了遠程控制。 （ 5）完成了倒立擺系統(tǒng)的硬件設(shè)計。制定了系統(tǒng)實現(xiàn)方案，并完成了硬件選型及外圍電路設(shè)計， STC5410AD， MMA7260， ENC03 等外圍接口設(shè)計。動手設(shè)計 PCB 板，焊接元器件并調(diào)試成功。 不足與展望 作者完成了系統(tǒng)樣機的設(shè)計和實現(xiàn)，并能可靠運行。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。也因為所選擇技術(shù)方案的原因，就不可能克服技術(shù)本身存在的問題。 不足 本設(shè)計不足之處主要體現(xiàn)在如下幾個方面 。 （ 1）系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲空間不足，一些功能無法加載到系統(tǒng)中，可以通過使用存儲器實現(xiàn) 。 第七章 總結(jié)與展望 32 （ 2）倒立控制效果不是很理想，應(yīng)對軟件程序進行優(yōu)化。 （ 3）對通信控制和顯示數(shù)據(jù)管理沒有做到優(yōu)化。各種延時程序也不盡合理。需要學(xué)習(xí)更多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的知識來解決 。 以上問 題都是可以避免的，它們的解決需要進一步的努力。 展望 由于時間的倉促，能力的有限系統(tǒng)的功能不是很完善，在此我提出以下幾個改進的方向。 （ 1）設(shè)計系統(tǒng)時的充分考慮器件的性能和成本 。 （ 2）上位機可采用 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）選用添加 USB 存儲設(shè)備，實現(xiàn)大容量讀寫數(shù)據(jù)，實現(xiàn)一定的信息存儲功能。 以上問題都是可以實現(xiàn)的，它們的解決需要進一步學(xué)習(xí)和花更多的精力，使系統(tǒng)更加完善、更加人性化。 附 錄 33 附錄一：電路原理圖 附 錄 34 附 錄 35 附 錄 36 附錄二：程序代碼 主函數(shù)： include include include include include include include include include include include uint8 S_star=1,i。 void main() { volatile uint16 i=0。 unionx HanterChannel[8]。 uart_init()。 Timer0_init(TIME, BIT_16)。 AD_init()。 PWM_init()。 lite_printf(Please Update the GVAL\n)。 StartT0。 EnT0Interrup