基于STM32微控制器的旋轉(zhuǎn)倒立擺設(shè)計(jì)

1、簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置摘 要為了滿(mǎn)足旋轉(zhuǎn)倒立擺的控制，本系統(tǒng)采用了 stm32微控制器為控制核心， 采用模塊化的設(shè)計(jì)方案。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用了 l298n作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，通過(guò) pwm波精確控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。采用編碼器測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度，能對(duì)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)作精確 測(cè)量。程序設(shè)計(jì)方面采用了工業(yè)過(guò)程控制中廣泛應(yīng)用的pid控制器，使系統(tǒng)達(dá) 到理想的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。測(cè)試結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)臂能夠帶動(dòng)擺桿完成題目中的各項(xiàng)要求。 關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)倒立擺；stm32微控制器；to1波；編碼器abstractin the system, stm32 microcontroller is used as the core to contro

2、l the rotary inverted pendulum with the modular design. l298n, outputting pwm to control the motor precisely, is the motor driver chip in the modular of motor drive and the angle of the rotation axis can be accurately obtained by the angle encoder. tn order to enhance the robustness of the system, p

3、id, widely used in industrial process control, is applied in the system. it is shown that the requirements of competition have been clone excellently.keywords: rotary inverted pendulum ； stm32 microcontrollers; pwm wave;enc基于stm32微控制器的旋轉(zhuǎn)倒立擺設(shè)計(jì) 1系統(tǒng)方案論證與比較本方案采用雙系統(tǒng)模式，由信號(hào)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，兩個(gè)系統(tǒng)之間 由無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)行通信。整個(gè)方案

4、還包括旋轉(zhuǎn)角度檢測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、lcd 動(dòng)態(tài)跟蹤顯示擺桿模塊、電源模塊等部分，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。1.1角度檢測(cè)方案的論證與選擇方案一：采用陀螺儀測(cè)量擺桿旋轉(zhuǎn)的角度。陀螺儀是通過(guò)測(cè)量角速度，然 后積分得出角度。只有精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是硬件安裝和信號(hào)處理方面稍復(fù)雜。方案二：采用編碼器測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，抗干擾能 力強(qiáng)，可靠性高。從系統(tǒng)穩(wěn)定性的角度考慮，優(yōu)先選擇方案二。1.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的論證與選擇方案一：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制。這個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)是電路 較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，易損壞，壽命較短，可靠性不高。方案二:采用l298n驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，基

5、于l298n芯片的pwm控制系統(tǒng)模 塊，讓電機(jī)其有調(diào)速的功能，電機(jī)能完成調(diào)速、轉(zhuǎn)向功能。從系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)角度考慮，優(yōu)先選擇方案二。1.3無(wú)線(xiàn)模塊的論證與選擇方案一：采用hrf24l01無(wú)線(xiàn)模塊，是一款工業(yè)級(jí)內(nèi)置硬件鏈路層協(xié)議的低 成本無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，可直接與單片機(jī)i/o連接，外接元件數(shù)目少。hrf24l01功 耗低，有多種低功率工作模式（掉電和空閑模式）更利于節(jié)能設(shè)計(jì)方案二：wifi無(wú)線(xiàn)方案，wifi無(wú)線(xiàn)技術(shù)具有快速傳輸?shù)淖罨饍?yōu)點(diǎn)。但是配置 比較復(fù)雜，且對(duì)硬件要求比較高，而且成本相對(duì)較高。從系統(tǒng)成木和低碳設(shè)計(jì)的角度考慮，優(yōu)先選擇方案一。2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1控制方式倒立擺系統(tǒng)是一個(gè)非線(xiàn)性自然不穩(wěn)

6、定系統(tǒng)，是對(duì)重心在上、支點(diǎn)在下的控制問(wèn)題的抽象，也是進(jìn)行控制理論教學(xué)及幵展各種控制實(shí)驗(yàn)的理想實(shí)騎平臺(tái).許多 抽象的控制問(wèn)題如控制系統(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(guò)倒立擺系統(tǒng)直觀的表現(xiàn)出來(lái)。系統(tǒng)由單片機(jī)、倒立擺裝置和光光租編碼器組成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，光電碼盤(pán) 將擺桿的角位移反饋給單片機(jī)，單片機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的控制量，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使擺 桿保持平衡.2.2旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算選用了歐姆龍的e6b2光電編碼器，p/r(p pulse脈沖，rring圈，p/r 為多少個(gè)脈沖每圈)值為1000。通過(guò)捕捉編碼器輸出的脈沖信號(hào)即可以計(jì)算出擺 桿旋轉(zhuǎn)的角度。3= n* 1000/360n為捕捉

7、到的脈沖數(shù)2.3 pid控制器設(shè)計(jì)當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確的數(shù)學(xué)模型，控制理論 的其他技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確 定，這時(shí)應(yīng)用pid控制技術(shù)最為方便。即使當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控 對(duì)象，或是不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，也適合采用pid控制 技術(shù)。pid控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算。pid控制器是一種線(xiàn)性控制器，假設(shè)系統(tǒng)的給定值為r(t),實(shí)際輸出值為y(t)， 根據(jù)給定值額輸出值構(gòu)成控制偏差：e(o = r(r) - ypid的控制規(guī)律為：u(?) = kp e(t) + c e(t)dt +

8、td ullti jodt寫(xiě)成傳遞函數(shù)的形式：g(s) = t7t=卽(1 + 士 + 7>)£(5)t,s式中，/cp是比例系數(shù)，r,是積分時(shí)間常數(shù)，是微分時(shí)間常數(shù)。pid控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：（1）比例環(huán)節(jié)：成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e（t）,偏差一旦產(chǎn)生，控 制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱 取決于積分時(shí)間常數(shù)乃，z越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。（3）微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)變 得太人之前，在系統(tǒng)屮引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度, 減少調(diào)

9、節(jié)吋間。在該旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)中，pid各個(gè)參數(shù)通過(guò)反復(fù)調(diào)試得出：kp=36g 7； =0.04fd=-3803硬件電路與程序設(shè)計(jì)3.1電路的設(shè)計(jì)3.1.1系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖3-1所示，主耍由控制模塊、無(wú)線(xiàn)模塊、旋轉(zhuǎn)角度檢測(cè)模 塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊組成。直流電機(jī) 驅(qū)動(dòng)模塊顯示擺桿旋轉(zhuǎn)角度stm32單片機(jī)無(wú)線(xiàn)模塊無(wú)線(xiàn)模塊電源模塊圖3-1系統(tǒng)總體框圖3.1.2電源穩(wěn)壓模塊原理圖電源穩(wěn)壓模塊，電路中需要5.0v和3.3v電壓，其電路原理圖如圖3-2所7jovr1圖3-2電壓穩(wěn)壓模塊電路圖系統(tǒng)的電源輸入由兩塊鋰電池串聯(lián)提供能源，輸入電壓為8.4v,為了得到 5v和3.3v的板極電壓，采用a

10、sm1117-3.3系列電源管理芯片進(jìn)行變壓，輸入幅 值和紋波均能滿(mǎn)足系統(tǒng)要求的電壓值。3.1.3無(wú)線(xiàn)模塊電路原理圖nrf24l01無(wú)線(xiàn)模塊電路圖如圖3-3所示。無(wú)線(xiàn)模塊用于子系統(tǒng)和主系統(tǒng)之 間進(jìn)行通信，子系統(tǒng)接收編碼器的信號(hào)，單片機(jī)進(jìn)行處理之后，將控制變量通過(guò) 無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送給主系統(tǒng)，主系統(tǒng)接收到變量后，控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。j1cons2.2nfpfgndgnd11x3456 7 scjcja aqaass>cegnd濃人f卜i.5pr com圖3-3無(wú)線(xiàn)模塊電路圖3.1.4直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理系統(tǒng)屮的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要由l298組成，具體電路如圖3-4所示。l298 可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。

11、l298組合控制的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，可以減輕單片機(jī) 和程序設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)，使用元減少，組件的損耗低，可靠性高，體積小，軟件開(kāi)發(fā) 簡(jiǎn)單。p1p3vcctn1sii oo-ini5in27in310in412+5v611+5vd112+12v34gndinivssin：vsinsin4out1out：fv antttlhn:3ovt4isen agnd isen一b9+5v12vout10ut1out2ovt3out415led±±tt:out11out2p4out2iout1a0out42out3j4np5out3out4*1p2gndd12led0ut3 k fi0ut4 kl

12、ed圖3-4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.2程序的設(shè)計(jì)3.2.1程序功能描述與設(shè)計(jì)思路1、程序功能描述倒立擺能夠在系統(tǒng)運(yùn)行之后，通過(guò)自身旋轉(zhuǎn)到達(dá)倒立狀態(tài)，并能夠在倒立狀 態(tài)中承受一定的外在干擾。程序最終運(yùn)行結(jié)果表明，該倒立擺能夠完成題h中的 各項(xiàng)要求。2、程序設(shè)計(jì)思路主機(jī)和從機(jī)都開(kāi)機(jī)以后，擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)，則從機(jī)單片機(jī)3s后將編 碼器此時(shí)的狀態(tài)定義為0°狀態(tài)，同時(shí)從機(jī)單片機(jī)控制無(wú)線(xiàn)以2ms的周期向主機(jī) 發(fā)送擺桿角度信息給主機(jī)無(wú)線(xiàn)裝置，提供實(shí)時(shí)同步顯示擺桿狀態(tài)。0°狀態(tài)設(shè)置 好了以后，主機(jī)控制擺桿左右擺動(dòng)，卻擺幅逐漸加大。當(dāng)擺桿越過(guò)180q時(shí)，擺 桿就完成了圓周運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)在擺

13、桿運(yùn)動(dòng)到165°195°時(shí)，從機(jī)會(huì)計(jì)算在 此區(qū)間最大的角速度。若在165°195°的區(qū)間內(nèi)最大角速度超出擺桿能夠鎖 住平衡態(tài)的最大角速度吋，在擺桿運(yùn)動(dòng)到15°-15°的區(qū)間內(nèi)吋，系統(tǒng)控制擺 桿會(huì)以180°時(shí)的角速度成一定關(guān)系減小擺桿左右擺動(dòng)的幅度。若當(dāng)擺桿未能擺 到165°195°的區(qū)間內(nèi)時(shí)，在擺桿運(yùn)動(dòng)到15°-15°的區(qū)間內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)控制 擺桿以擺桿最大高度成一定關(guān)系加大擺桿左右擺動(dòng)的幅度，直至擺桿能夠成功鎖 定。當(dāng)擺桿成功鎖定后系統(tǒng)調(diào)用pid算法，控制擺桿處于倒立狀態(tài)，難以倒下。 3

14、.2.2程序流程圖1、主程序流程主要由部分組成，如圖3-5所示圖3-5主程序流程圖2、pid調(diào)節(jié)子程序流程圖當(dāng)擺桿處于倒立倒立平衡狀態(tài)時(shí)，程序進(jìn)入pid調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，通過(guò)hd調(diào)節(jié) 器，對(duì)擺桿的狀態(tài)不斷進(jìn)行校正，使之始終保持倒立平衡狀態(tài)。在此調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中, 系統(tǒng)通過(guò)編碼器不斷對(duì)擺桿的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行刷新，并以此作為pid控制器的輸入 值，與擺桿平衡時(shí)的穩(wěn)態(tài)值em進(jìn)行比較。具體程序流程如閣3-6所示:開(kāi)始計(jì)籜偏差計(jì)浮控制hhkth計(jì)算拉制量時(shí)邊m返冋?qǐng)D3-6 pid子程序流程圖其中kp 比例系數(shù)；沿=即*7777, ki 積分系數(shù)；kcl = kp*td/t，kd微分系數(shù)；t 一采樣周期；ti 一積分時(shí)間常

15、數(shù)；td 微分時(shí)間常數(shù)；p(k) 一總的控制量輸出。4系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析4.1測(cè)試條件和儀器測(cè)試儀器：直流穩(wěn)壓電源，數(shù)字萬(wàn)用表。4.2測(cè)試要求及結(jié)果1. 測(cè)試要求（1）基木要求 擺桿從處于自然下垂?fàn)顟B(tài)（擺角0° ）開(kāi)始，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù) 旋轉(zhuǎn)使擺桿擺動(dòng)，并盡快使擺角達(dá)到或超過(guò)-60°+60° ; 從擺桿處于自然k垂?fàn)顟B(tài)開(kāi)始，盡快增人擺桿的擺動(dòng)幅度，直至完成圓 周運(yùn)動(dòng)； 在擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)下，外力拉起擺桿至接近165°位置，外力撤 除同時(shí)，啟動(dòng)控制旋轉(zhuǎn)臂使擺桿保持倒立狀態(tài)時(shí)間不少于5s;期間旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn) 動(dòng)角度不大于90°。（2）發(fā)揮部

16、分 從擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開(kāi)始，控制旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，盡快使擺 桿擺起倒立，保持倒立狀態(tài)時(shí)間不少于10s; 在擺桿保持倒立狀態(tài)下，施加干擾后擺桿能繼續(xù)保持倒立或2s內(nèi)恢復(fù)倒 立狀態(tài)； 在擺桿保持倒立狀態(tài)的前提下，旋轉(zhuǎn)臂作圓周運(yùn)動(dòng)，并盡快使單方內(nèi)轉(zhuǎn) 過(guò)角度達(dá)到或超過(guò)360° ; 采用lcd顯示屏對(duì)擺桿在垂直平面的位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤顯示。2. 測(cè)試結(jié)果及分析表4-1沒(méi)定角度測(cè)試表測(cè)量次數(shù)1234擺過(guò)設(shè)定角度-60 °+60°所需的時(shí)間（s）2322表4-2手動(dòng)倒立模式運(yùn)行測(cè)試表測(cè)量次數(shù)1234旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)的角度(°)30502035倒立狀態(tài)的時(shí)間81079表

17、4-3快速起擺模式運(yùn)行測(cè)試表測(cè)量次數(shù)1234擺桿倒立的吋間(s)35112168保持倒立狀態(tài)的時(shí)間(s)20242515測(cè)試結(jié)果分析，系統(tǒng)總體上達(dá)到較好的性能，基本部分都能夠在規(guī)定的要求 閃完成，發(fā)揮部分也能夠達(dá)到令人滿(mǎn)意的結(jié)果。倒立擺能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)倒立，且運(yùn) 行的吋間誤差在允許范圍內(nèi)。倒立擺運(yùn)行性能較好，制作成本低，性?xún)r(jià)比較高。倒立擺控制的誤差主要來(lái)源于直流減速電機(jī)、角度傳感器和倒立擺機(jī)械結(jié) 構(gòu)。直流減速電機(jī)在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，控制存在死區(qū)，低脈寬時(shí)電機(jī)不運(yùn)動(dòng)。角度傳 感器由精密電位器改制，存在角度死區(qū)，精度不足。導(dǎo)軌硬度不夠，滑動(dòng)模塊長(zhǎng) 時(shí)間滑動(dòng)造成導(dǎo)軌i彎，滑動(dòng)模塊在運(yùn)動(dòng)屮摩擦力不均勻。因此，采

18、用具有更好 啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速特性直流電機(jī)、精度更高的角度傳感器改進(jìn)硬件結(jié)構(gòu)，以消除 控制誤差，使控制精度更高。五、電路原理圖1、主機(jī)電路原理圖如圖5-1所示。hagsim3：fio32ht52iii!»nikbn!：lls5sjess2ws!kulxiihcrihlhihlslhuihsiamrs4s5v5spcwixtwch.stf圖5-1主機(jī)電路原理圖2、從機(jī)機(jī)電路原理圖如圖5-2所示。mcuv21=4pm on my/3itfat m»sifall22'n* «n cfvm fvm； tf容堀！ 番pahw13.-mlsarn.c7v adc 1 jinrmo.chl.ftr fauaaftn rtkocu ini/rstt oq faitvkr*ntx adtij potoc cw famti*lt2'luc adc 1 : initimf ch4 fa4n kw nabt7_rkrazxj fm passkfstk/adcncniynm7:(n:ramtvkrrttxto _pam1.5axttrai liviamti rrvca邊x/t1mi-uidmfa1 m、a*trrrvta vtxttm1 "f71l*1 raamcwofai4>7tck&l