2013全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽旋轉(zhuǎn)倒立擺

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目錄 第一章 系統(tǒng)方案比較與選擇 3 1 1 總實(shí)現(xiàn)方案 3 1 2 主控制器方案比較與選擇 3 第二章 理論分析與計(jì)算 5 2 1 編碼器脈沖轉(zhuǎn)換角度設(shè)計(jì) 5 2 2 搖擺及圓周算法設(shè)計(jì) 5 2 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及電機(jī)選型 6 2 4 PID 算法設(shè)計(jì) 7 第三章 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 9 3 1 系統(tǒng)主板工作原理 9 第四章 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 10 4 1 系統(tǒng)總體模塊圖 10 4 2 系統(tǒng)總流程圖 10 第五章 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果 11 5 1 傳感器角度測(cè)試 11 5 2 搖擺及圓周運(yùn)動(dòng)測(cè)試 11 5 3 倒立擺測(cè)試 12 第六章 誤差分析 13 6 1 整體的誤差分析 13 6 2 軟件引起的算法誤差分析 13 第七章 參賽感悟 14 摘 要 本設(shè)計(jì)綜合考慮基礎(chǔ)部分和發(fā)揮部分要點(diǎn) 采用 mega128a 為主控芯片 BTS7960 驅(qū)動(dòng)電機(jī)并在程序中涉及到 pid 算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)控 在設(shè)計(jì)中 我們 采用 1000 線編碼器為角度傳感器 在該簡(jiǎn)單控制裝置中 我們實(shí)現(xiàn)了擺動(dòng) 圓 周運(yùn)動(dòng)和短時(shí)間的自動(dòng)控制下的倒立 關(guān)鍵字 倒立擺 mega128a 編碼器 第一章 系統(tǒng)方案比較與選擇 1 1 總實(shí)現(xiàn)方案 方案一 用陀螺儀和加速度計(jì)通過卡爾曼數(shù)據(jù)融合得到角度 用此處的角 度為載體用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 并調(diào)整電機(jī) 方案二 用電位器做角度傳感 通過單片機(jī)自帶 ADC 來讀取電位數(shù)值以此 為依據(jù)來判斷角度 并調(diào)整電機(jī) 方案三 用編碼器做角度傳感器 通過讀取編碼器的輸出脈沖來計(jì)算角度 傳感器的輸出角度 用此角度做處理調(diào)整電機(jī) 通過對(duì)兩個(gè)方案的對(duì)比選擇 方案一中的加速度計(jì)和陀螺儀算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜 我們?cè)谌谌肟柭鼮V波后有明顯濾波效果 但是由于圓周運(yùn)動(dòng) 會(huì)使得各個(gè)方 向軸返回的數(shù)據(jù)出錯(cuò) 且波動(dòng)大 會(huì)減弱卡爾曼的濾波效果 對(duì)于 pid 的精準(zhǔn) 調(diào)整還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)期 在方案二中 考慮到電位器內(nèi)部結(jié)構(gòu)問題 雖然理 論上電位器在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中是線性的 但是考慮到每次?？康碾娮栉豢赡軙?huì)產(chǎn)生 誤差 最后考慮到我們最終選定的單片機(jī) ADC 只有 10 位 在方案三中 由于實(shí) 現(xiàn)編碼器的功能實(shí)現(xiàn)方便簡(jiǎn)單 并能更多的趨近于精確值 因此最后我們采用 了方案三 1 2 主控制器方案比較與選擇 為了完成在短時(shí)間快速采集并計(jì)算角度 主控器件必須有較高的 CPU 工作 頻率和存儲(chǔ)空間 方案一 采用 51 系列加強(qiáng)型 STC12C5A60S2 作為主控器件 用來實(shí)現(xiàn)題目 所要求的各種功能 此方案最大的特點(diǎn)是系統(tǒng)規(guī)模可以做得很小 成本較低 操作控制簡(jiǎn)單 但是 我們?cè)诶脝纹瑱C(jī)處理高速信號(hào)快速掃描及電機(jī)控制時(shí) 顯得吃力 51 系列單片機(jī)很難實(shí)現(xiàn)這一要求 方案二 采用 ATMEL 公司的 AVR 系列 ATMEGA128A 單片機(jī)為核心控制器件 MEGA128A 有 8 個(gè)外部中斷 中斷系統(tǒng)豐富 并且有 128K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash 我們對(duì)它的性能和指標(biāo)相對(duì)也較為熟悉 如此能夠?qū)崿F(xiàn)快速掃描和數(shù)據(jù) 處理 按照題目的要求 綜合考慮我們最終選擇了方案二 采用 ATMEGA128A 單片 機(jī)為核心控制器件 第二章 理論分析與計(jì)算 2 1 編碼器脈沖轉(zhuǎn)換角度設(shè)計(jì) 在單片機(jī)中 我們開啟外部 0 中斷 在 AVR 系列單片機(jī)中外部 0 中斷的 中斷優(yōu)先級(jí)最高 以此我們可以得到較為精確的角度 由于我們使用的編碼器 為 1000 線編碼器 所以每一個(gè)脈沖的角度值為 0 36 所以在計(jì)算時(shí)即使丟步 也不會(huì)很大的影響角度值 我們?cè)诤竺孀鲞^的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中 也證明了我們的想 法 2 2 搖擺及圓周算法設(shè)計(jì) 我們通過對(duì)整體的系統(tǒng)建模 在查閱資料當(dāng)中 根據(jù)單擺定律 擺桿的 擺動(dòng)雖然在衰減但是擺動(dòng)的周期相同 所以在基礎(chǔ)要求中的搖擺和圓周運(yùn)動(dòng)中 只要在擺桿在正弦我們對(duì)單擺系統(tǒng)實(shí)測(cè)波形如下 所以依據(jù)我們分析 當(dāng)每次 施 力點(diǎn)在每次過峰值的時(shí)候既可以累加力的作用效果 以此來完成搖擺和圓周運(yùn) 動(dòng) 圖 2 2 2 3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及電機(jī)選型 圖 2 3 以上是我們機(jī)械結(jié)構(gòu)的仿真圖 在電機(jī)選型中 我們首先想到步進(jìn)電機(jī)很便于角度控制 但是由于步進(jìn)電 機(jī)反應(yīng)較慢 所以我們沒有考慮 對(duì)于普通的直流電機(jī)雖然其反應(yīng)快但調(diào)速性 能差 另外我們還可以選擇減速電機(jī)和直流伺服電機(jī) 直流伺服電機(jī)調(diào)速性 啟動(dòng)和制動(dòng)都很有優(yōu)勢(shì)但是價(jià)格昂貴 最后在考慮到經(jīng)濟(jì)適用性方面 我們選 擇了帶有減速箱的減速電機(jī) 在這個(gè)簡(jiǎn)易擺裝置中 我們選用 400 轉(zhuǎn)減速電機(jī) 型號(hào)為 JH37 555 額 定功率為 15W 力矩為 30Kgf cm 由于轉(zhuǎn)矩 T 9550 P n 716 25N m 電 機(jī)中心距離轉(zhuǎn)臂 245mm 電機(jī)轉(zhuǎn)矩已經(jīng)足夠大 完全可以帶動(dòng)所要帶的物體 另外 由于該系統(tǒng)中電機(jī)要在短時(shí)間內(nèi)順逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 所以系統(tǒng)要達(dá)到很高要 求的穩(wěn)定性 所以我們?cè)谶x擇裝置的底盤和支架選用了較為穩(wěn)固的粗木 在轉(zhuǎn) 臂與擺桿連接處我們選用了歐姆龍 1000 線編碼器 編碼器的軸與軸承相連接 也解決了擺桿與轉(zhuǎn)臂的連接問題 在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)當(dāng)中我們一共修正了 3 次基本構(gòu)架 也經(jīng)歷了很多次的 調(diào)整 在這個(gè)過程中也確定了最終的最穩(wěn)定的構(gòu)架 2 4 PID 算法設(shè)計(jì) 為了實(shí)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)角度控制 我們又采用電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍限制 同樣的采用 增量式 PID 控制算法 且結(jié)合我們單片機(jī)的速度限制 8 位 16Mhz 電機(jī)旋 轉(zhuǎn)角度測(cè)量會(huì)存一定的的偏差 因此我們整定了 P I 兩個(gè)參數(shù) 減小了因測(cè)量 誤差計(jì)算出來的 PID 偏差 采集回來的擺軸角度和主軸旋轉(zhuǎn)角度 經(jīng) PID 反饋回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合 以 PWM 占空比的形式直接輸入到減速直流電機(jī)上面 從而達(dá)到目標(biāo)控制 PID 參數(shù)整定 由于我們?cè)谖锢斫Y(jié)構(gòu) 以及力學(xué)方面的知識(shí)薄弱 因此我 們采用了反復(fù)整定確定系數(shù)的辦法 首先 我們控制 I D 為零 控制 P 參數(shù) 知道系統(tǒng)對(duì)輸入階躍響應(yīng)出現(xiàn)零界振蕩 記下這時(shí)的比例系數(shù)和零界震蕩周期 在此基礎(chǔ)上將該系數(shù)乘以 60 70 在調(diào)節(jié) I 參數(shù) 同樣的方法 調(diào)節(jié) D 參數(shù) 知道系統(tǒng)穩(wěn)定 增量型控制 控制流程 公式 2 1 2 1 neneTKneneKuuDPIPP 程序框圖 第三章 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 3 1 系統(tǒng)主板工作原理 系統(tǒng)主板主要由 5V 電源模塊 3 3V 電源模塊 蜂鳴器模塊 以及 ATMEGA128A 單片機(jī)為核心控制模塊按 5V 電源模塊 此設(shè)計(jì)采用 12V 開關(guān)電源供電 通過穩(wěn)壓芯片 LM2576 一腳輸 入三腳輸出將 12V 輸入轉(zhuǎn)變?yōu)?5V 輸出 來給單片機(jī)供電 3 3V 電源模塊 3 3V 電源輸出是由 AM1117 穩(wěn)壓芯片三腳輸入 5V 二腳輸出來 進(jìn)行轉(zhuǎn)換 按鍵模塊 本系統(tǒng)板中設(shè)計(jì)了四個(gè)按鍵 通過按鍵來對(duì)不同功能來進(jìn)行切換 演示 外接 液晶模塊 液晶模塊采用 NOKIA5110 液晶來顯示 NOKIA5110 液晶具有功能 強(qiáng)大 連接簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì) 外接 圖3 1 系統(tǒng)主板工作原理圖 第四章 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 4 1 系統(tǒng)總體模塊圖 4 2 系統(tǒng)總流程圖 ATMEGA128A 單片機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 電機(jī) 編碼 器角 度檢 測(cè) 按鍵 LCD 顯示 電源 電 路 第五章 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果 5 1 傳感器角度測(cè)試 我們?cè)谶M(jìn)行測(cè)試時(shí)為了保證角度的正確性 我們每將擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)圓周或 者多個(gè)圓周最后在擺桿垂直的角度為對(duì) 360 度求余即為 0 度 所以我們對(duì)編碼 器測(cè)量角度進(jìn)行了測(cè)量以便分析其誤差 測(cè)量次數(shù) 轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)圓周 轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)圓周 轉(zhuǎn)動(dòng)三個(gè)圓周 綜合誤差 1 0 2 1 0 83 2 1 0 2 0 83 3 0 0 1 0 27 4 0 2 0 0 56 5 0 1 3 1 11 6 0 1 2 0 83 5 2 搖擺及圓周運(yùn)動(dòng)測(cè)試 我們?cè)谡{(diào)試好后 對(duì)擺桿的搖擺進(jìn)行測(cè)試 主要是針對(duì)擺桿起振到 60 度及以上角度的時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析 該數(shù)據(jù)由秒表測(cè)量得到 角度由簡(jiǎn)易量 角器測(cè)得 測(cè)量次數(shù) 穩(wěn)定時(shí)間 穩(wěn)定角度 1 3 7s 大于 60 度 小于 90 度 2 4 2s 大于 60 度 小于 90 度 3 4 0s 大于 90 度 4 3 8s 大于 60 度 小于 90 度 5 4 0s 等于 90 度 6 3 7s 大于 60 度 小于 90 度 由以上數(shù)據(jù)可知 搖擺測(cè)試中該裝置基本穩(wěn)定 我們同時(shí)也對(duì)擺桿進(jìn)行了圓周運(yùn)動(dòng)的測(cè)試 主要是針對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性 進(jìn)行了測(cè)試統(tǒng)計(jì)分析 該數(shù)據(jù)由秒表測(cè)量得到 測(cè)量次數(shù) 穩(wěn)定時(shí)間 備注 1 5 3s 成功進(jìn)入圓周狀態(tài) 2 4 8s 成功進(jìn)入圓周狀態(tài) 3 5 5s 未成功進(jìn)入圓周狀態(tài) 4 5 0s 成功進(jìn)入圓周狀態(tài) 5 5 3s 成功進(jìn)入圓周狀態(tài) 6 5 2s 成功進(jìn)入圓周狀態(tài) 由以上數(shù)據(jù)可以 我們裝置的圓周運(yùn)動(dòng)也是基本穩(wěn)定的 但是在測(cè)試中出 現(xiàn)了一次未成功進(jìn)入的圓周運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 我們分析是 由于在程序中我們要求每 次起振要從 0 度開始 由于測(cè)量中的疏忽 我們沒有等到擺桿靜止就進(jìn)入了測(cè) 試 由此而產(chǎn)生的錯(cuò)誤 5 3 倒立擺測(cè)試 我們對(duì)倒立擺主要進(jìn)行了擺桿穩(wěn)定時(shí)間測(cè)試 以此分析我們的裝置在倒立 擺過程中的穩(wěn)定性 第一項(xiàng)測(cè)試是在人為將擺桿樹直在 165 度到 165 度范圍內(nèi) 待擺桿直立后的穩(wěn)定時(shí)間 測(cè)量次數(shù) 穩(wěn)定時(shí)間 備注 1 大于 5s 穩(wěn)定 2 大于 5s 穩(wěn)定 3 大于 5s 穩(wěn)定 4 大于 5s 穩(wěn)定 5 大于 5s 穩(wěn)定 6 大于 5s 穩(wěn)定 我們對(duì)倒立擺又進(jìn)行碰撞測(cè)試 用 15cm 擺線綁定 將擺線拉至 45 度 測(cè)量次數(shù) 碰撞砝碼重量 穩(wěn)定狀態(tài) 備注 1 4 88g 穩(wěn)定 2 4 88g 穩(wěn)定 3 4 88g 穩(wěn)定 4 7 22g 穩(wěn)定 5 7 22g 穩(wěn)定 6 7 22g 穩(wěn)定 從以上數(shù)據(jù)可以看出 我們的倒立擺系統(tǒng)也是相對(duì)穩(wěn)定的 第六章 誤差分析 6 1 整體的誤差分析 由于我們?cè)诒敬卧O(shè)計(jì)中采用編碼器為 1000 線編碼器 理論上每轉(zhuǎn)一圈 要進(jìn)入外部中斷 1000 次 所以在程序中很有可能出現(xiàn)掉步或者錯(cuò)步的 但是由 于我們采用的編碼器線數(shù)較高 所以即使丟步也能基本滿足要求 為了減小誤 差 我們將編碼器接到了最高優(yōu)先級(jí)別的外部中斷 0 中 所以也基本能滿足要 求 6 2 軟件引起的算法誤差分析 由于增量式 PID 輸出的是控制量增量 如果采集系統(tǒng)出現(xiàn)故障 誤動(dòng)作 影響較小 而執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身有記憶功能 可仍保持原位 不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的 工作 而位置式的輸出直接對(duì)應(yīng)對(duì)象的輸出 因此對(duì)系統(tǒng)影響較大 因此我們 的角度 PID 采用了增量式 PID 算法 結(jié)合響應(yīng)速度 我們整定了 P D 兩個(gè)參數(shù) 使系統(tǒng)響應(yīng)更快 能在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)直立控制 第七章 參賽感悟 在本次電賽的四天三夜了 也是我們隊(duì)全體人員感覺最為充實(shí)的一段日子 雖然結(jié)果不盡人意但是努力的過程還是值得我們回味的 我們選定倒立擺題目 以后 我們一共更換了三次機(jī)械結(jié)構(gòu) 才最終敲定了最穩(wěn)定的版本 在程序上 對(duì)于 pid 算法的調(diào)試 我們也積累了一些經(jīng)驗(yàn) 上圖為我隊(duì)一次結(jié)構(gòu)示 上圖為我隊(duì)第二次結(jié)構(gòu) 上圖為我隊(duì)最后一次結(jié)構(gòu)圖