2013全國電子設(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)測試與結(jié)果 11 5 1 傳感器角度測試 11 5 2 搖擺及圓周運(yùn)動測試 11 5 3 倒立擺測試 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)動電機(jī)并在程序中涉及到 pid 算法對電機(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 在該簡單控制裝置中 我們實(shí)現(xiàn)了擺動 圓 周運(yùn)動和短時間的自動控制下的倒立 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) 通過對兩個方案的對比選擇 方案一中的加速度計(jì)和陀螺儀算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜 我們在融入卡爾曼濾波后有明顯濾波效果 但是由于圓周運(yùn)動 會使得各個方 向軸返回的數(shù)據(jù)出錯 且波動大 會減弱卡爾曼的濾波效果 對于 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)動過程中是線性的 但是考慮到每次?？康碾娮栉豢赡軙a(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 操作控制簡單 但是 我們在利用單片機(jī)處理高速信號快速掃描及電機(jī)控制時 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 我們對它的性能和指標(biāo)相對也較為熟悉 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 所以每一個脈沖的角度值為 0 36 所以在計(jì)算時即使丟步 也不會很大的影響角度值 我們在后面做過的實(shí)驗(yàn)測試中 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 擺動雖然在衰減但是擺動的周期相同 所以在基礎(chǔ)要求中的搖擺和圓周運(yùn)動中 只要在擺桿在正弦我們對單擺系統(tǒng)實(shí)測波形如下 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 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 啟動和制動都很有優(yōu)勢但是價(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) 在這個簡易擺裝置中 我們選用 400 轉(zhuǎn)減速電機(jī) 型號為 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 完全可以帶動所要帶的物體 另外 由于該系統(tǒng)中電機(jī)要在短時間內(nèi)順逆時針轉(zhuǎn)動 所以系統(tǒng)要達(dá)到很高要 求的穩(wěn)定性 所以我們在選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)角度測量會存一定的的偏差 因此我們整定了 P I 兩個參數(shù) 減小了因測量 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 由于我們在物理結(jié)構(gòu) 以及力學(xué)方面的知識薄弱 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)對輸入階躍響應(yīng)出現(xiàn)零界振蕩 記下這時的比例系數(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)了四個按鍵 通過按鍵來對不同功能來進(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 連接簡單等優(yōu)勢 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 電機(jī) 編碼 器角 度檢 測 按鍵 LCD 顯示 電源 電 路 第五章 系統(tǒng)測試與結(jié)果 5 1 傳感器角度測試 我們在進(jìn)行測試時為了保證角度的正確性 我們每將擺桿轉(zhuǎn)動一個圓周或 者多個圓周最后在擺桿垂直的角度為對 360 度求余即為 0 度 所以我們對編碼 器測量角度進(jìn)行了測量以便分析其誤差 測量次數(shù) 轉(zhuǎn)動一個圓周 轉(zhuǎn)動兩個圓周 轉(zhuǎn)動三個圓周 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)動測試 我們在調(diào)試好后 對擺桿的搖擺進(jìn)行測試 主要是針對擺桿起振到 60 度及以上角度的時間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析 該數(shù)據(jù)由秒表測量得到 角度由簡易量 角器測得 測量次數(shù) 穩(wěn)定時間 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 搖擺測試中該裝置基本穩(wěn)定 我們同時也對擺桿進(jìn)行了圓周運(yùn)動的測試 主要是針對圓周運(yùn)動的穩(wěn)定性 進(jìn)行了測試統(tǒng)計(jì)分析 該數(shù)據(jù)由秒表測量得到 測量次數(shù) 穩(wěn)定時間 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)動也是基本穩(wěn)定的 但是在測試中出 現(xiàn)了一次未成功進(jìn)入的圓周運(yùn)動狀態(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 由于測量中的疏忽 我們沒有等到擺桿靜止就進(jìn)入了測 試 由此而產(chǎn)生的錯誤 5 3 倒立擺測試 我們對倒立擺主要進(jìn)行了擺桿穩(wěn)定時間測試 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)定時間 測量次數(shù) 穩(wěn)定時間 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 我們對倒立擺又進(jìn)行碰撞測試 用 15cm 擺線綁定 將擺線拉至 45 度 測量次數(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)也是相對穩(wěn)定的 第六章 誤差分析 6 1 整體的誤差分析 由于我們在本次設(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 不會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的 工作 而位置式的輸出直接對應(yīng)對象的輸出 因此對系統(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 兩個參數(shù) 使系統(tǒng)響應(yīng)更快 能在短時間內(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