基于自由擺的平板控制系統(tǒng)【國(guó)二獎(jiǎng)】

2023年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽控制類(lèi)——基于自由擺的平板控制系統(tǒng)【國(guó)二獎(jiǎng)】感謝天龍，堯總。雖辛苦，卻難忘，感謝一同走過(guò)。文中一些是使用的圖片，假設(shè)看起來(lái)不美觀的話(huà)，可以去百度文庫(kù)下載，一、總體方案設(shè)計(jì)1.主控系統(tǒng)選擇方案一：使用傳統(tǒng)51單片機(jī)作為主控制器，價(jià)格低廉，但其運(yùn)算速度慢，片內(nèi)資源少，存儲(chǔ)容量小，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法。方案二：使用FPGA，CPLD等大規(guī)?？删幊踢壿嬁刂破骷?，其時(shí)鐘頻率很高，運(yùn)算速度很快，但不適合于該題目。方案三：使用基于ARMCortex-M3內(nèi)核的EasyARM1138單片機(jī)，它有8通道10位ADC，使用方便且低功耗。方案比擬：綜合比擬，選擇方案三。2.角度測(cè)量方案一：使用雙軸傾角傳感器SCA103T-D04，測(cè)量范圍為±15度，可適用于垂直方向的各種角度的測(cè)量。方案二：使用電位器作為角度傳感器，由于不同角度輸出的電阻值不同，通過(guò)AD采樣電阻兩端電壓，計(jì)算得到角度。方案三：使用Angtron-RE-38-V-Lite旋轉(zhuǎn)編碼器，角度測(cè)量范圍為0~360°，根據(jù)不同角度，可直接輸出不同的電壓值，線性度好。方案比擬：對(duì)于方案一，雖然SCA103T精度較高，但它是基于加速度原理進(jìn)行測(cè)量，使用SCA103T進(jìn)行傾角檢測(cè)時(shí)，應(yīng)保證被測(cè)設(shè)備勻速運(yùn)動(dòng)，否那么會(huì)引進(jìn)誤差，而在自由擺系統(tǒng)中，平板不是勻速運(yùn)動(dòng)。雖然可以采用峰值濾波和一階慣性濾波相結(jié)合的方式通過(guò)軟件編程進(jìn)行處理，但較繁瑣。對(duì)于方案二，對(duì)于一般的電位器，線性度較差，而對(duì)于線性度較好的電位器，如22HP-10等，價(jià)格較高。對(duì)于方案三，使用該旋轉(zhuǎn)編碼器，可以直接對(duì)輸出電壓進(jìn)行AD采樣，計(jì)算得出角度值，使用方便。綜合考慮，選擇方案三測(cè)量自由擺運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的擺角。3.電機(jī)選擇方案一：使用伺服電機(jī)作為執(zhí)行元件，運(yùn)行精確，能高速制動(dòng)，慣量小，適合閉環(huán)控制。方案二：使用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，由于步進(jìn)電機(jī)是采用脈沖驅(qū)動(dòng)，精度較高，適合開(kāi)環(huán)控制。方案比擬：對(duì)于方案一，雖然伺服電機(jī)性能良好，但價(jià)格較高。對(duì)于方案二，步進(jìn)電機(jī)可以通過(guò)16細(xì)分可以減弱低頻振動(dòng)，控制方便，開(kāi)環(huán)性能良好，可以適用于該設(shè)計(jì)。綜合考慮，選擇方案二。4.松手檢測(cè)方案一：軟件檢測(cè)，用手推動(dòng)擺桿至一定角度，通過(guò)AD采樣測(cè)得，假設(shè)程序檢測(cè)到開(kāi)始減小，說(shuō)明推動(dòng)擺桿的手已經(jīng)松開(kāi)，步進(jìn)電機(jī)可以開(kāi)始調(diào)整平板角度。方案二：硬件檢測(cè)，使用紅外收發(fā)管，假設(shè)檢測(cè)到下降沿，說(shuō)明推動(dòng)擺桿的手已經(jīng)離開(kāi)，程序可以開(kāi)始相應(yīng)的控制。方案比擬：對(duì)于方案一，針對(duì)自由擺進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，易知自由擺在較高點(diǎn)處速度較小，導(dǎo)致AD采樣檢測(cè)到減小時(shí)，距離手松開(kāi)已經(jīng)過(guò)去了一段時(shí)間，通過(guò)程序補(bǔ)償該延遲的算法較麻煩，較難實(shí)現(xiàn)。對(duì)于方案二，經(jīng)硬件檢測(cè)，延遲很小，步進(jìn)電機(jī)可以及時(shí)做出反響，且實(shí)現(xiàn)較方便。綜合考慮，選擇方案二。5.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖使用旋轉(zhuǎn)編碼器作為角度傳感器，經(jīng)AD采樣，讀取當(dāng)前自由擺的角度值。使用紅外收發(fā)管檢測(cè)是否松開(kāi)了擺桿，假設(shè)檢測(cè)到高電平，說(shuō)明手已經(jīng)松開(kāi)，觸發(fā)中斷，此時(shí)的AD采樣值即為起始擺角。采用前饋控制系統(tǒng)，通過(guò)控制器控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，使其運(yùn)動(dòng)到達(dá)要求。同時(shí)，可以在LCD顯示一些測(cè)量數(shù)據(jù)和功能列表，供用戶(hù)選擇，同時(shí)LED燈在一些功能中也會(huì)點(diǎn)亮。二、理論分析與計(jì)算1.平板狀態(tài)測(cè)量

初始時(shí)，平板與擺桿垂直，如圖3所示。逆時(shí)針移動(dòng)擺桿，由旋轉(zhuǎn)編碼器可以測(cè)得擺桿與垂直的角度，由按鍵逐步調(diào)整平板角度，由控制器予以記錄，平板順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)了，此時(shí)平板與水平面夾角為。2.自由擺運(yùn)動(dòng)周期分析對(duì)于理想單擺，當(dāng)角很小時(shí)，單擺的周期，但該設(shè)計(jì)中，起始擺角范圍為30~60°，該公式不再適用，故采用經(jīng)驗(yàn)建模，求取擬合曲線。分別選取作為起始擺角，用示波器記錄自由擺運(yùn)動(dòng)5個(gè)周期所用的時(shí)間，如表1所示：表1起始擺角〔°〕20°30°40°45°50°60°時(shí)間〔s〕9.459.609.689.689.739.92使用matlab進(jìn)行擬合，如圖2所示：圖2不同起始擺角下自由擺運(yùn)動(dòng)5周所用時(shí)間擬合曲線為：y=0.0105*x+9.248，其中x為起始擺角，y為自由擺運(yùn)動(dòng)5個(gè)周期所用時(shí)間。3.自由擺運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析自由擺AB從自然下垂?fàn)顟B(tài)逆時(shí)針擺動(dòng)后到達(dá)AB’處，如圖3所示。假設(shè)平板與水平面夾角為，做輔助線，對(duì)平板上的一枚硬幣進(jìn)行受力分析，易知，由于硬幣摩擦系數(shù)極小，摩擦力忽略不計(jì)。由于整個(gè)平板沿CD方向的加速度為，為了使硬幣不從平板上滑離，硬幣沿CD方向的加速度聯(lián)立以上各式，可知即自由擺在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，平板應(yīng)與擺桿始終保持垂直。4.激光照射模塊AB為自由擺，長(zhǎng)度為100cm，假設(shè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)后位置為AB’，如圖4所示。為了使激光筆照射到中心線上，步進(jìn)電機(jī)需要順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度，計(jì)算如下：四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果1.測(cè)試方案1.1測(cè)試儀器：RIGOLDS1102E示波器，JWY302x2S可調(diào)穩(wěn)壓電源，VICTORVC9801A萬(wàn)用表1.2調(diào)試方法：1.2.1對(duì)于根本功能1，分別針對(duì)起始擺角，讀取自由擺運(yùn)動(dòng)5個(gè)周期后步進(jìn)電機(jī)偏差的絕對(duì)值，結(jié)果如表2所示。1.2.2對(duì)于根本功能2，分別針對(duì)起始擺角，讀取自由擺運(yùn)動(dòng)5個(gè)周期后，硬幣滑離中心點(diǎn)的距離，結(jié)果如表3所示。1.2.3對(duì)于根本功能3，分別針對(duì)起始擺角，讀取自由擺運(yùn)動(dòng)5個(gè)周期后，仍在平板上的硬幣數(shù)，以及有效的硬幣數(shù)〔注：有效硬幣數(shù)=平板上硬幣數(shù)-非保持疊放狀態(tài)硬幣數(shù)〕，結(jié)果如表4所示。1.2.4對(duì)于擴(kuò)展功能1，分別針對(duì)為擺角，測(cè)取偏差絕對(duì)值，結(jié)果如表5所示。1.2.5對(duì)于擴(kuò)展功能2，測(cè)取3次擺動(dòng)時(shí)的平均偏差絕對(duì)值，結(jié)果如表6所示。2.測(cè)試結(jié)果表2根本功能1起始擺角〔°〕30405060偏差絕對(duì)值〔°〕2371532表3根本功能2起始擺角〔°〕30354045滑離中心點(diǎn)的距離〔cm〕00.20.50.75表4根本功能3起始擺角〔°〕45505560平板上硬幣數(shù)8841有效硬幣數(shù)6621表5擴(kuò)展功能1起始擺角〔°〕-50-40-30304050偏差絕對(duì)值〔cm〕10.50.80.20.50.5表6擴(kuò)展功能2次數(shù)123平均偏差絕對(duì)值〔cm〕5343.結(jié)果分析根本功能1<35擴(kuò)展功能1<1cm根本功能2<1cm擴(kuò)展功能2平均偏差4cm根本功能3平均有效硬幣4個(gè)

參考文獻(xiàn)：[1]鄭家龍等.集成電子技術(shù)根底教程，北京：高等教育出版社，2023.6[2]王樹(shù)青.戴連奎