2018电赛积分赛-简易旋转倒立摆及控制装置

摘 要

本系统是基于TM4单片机来完成各项功能的，实现了一套简易旋转倒立摆及其控制装置。旋转倒立摆的结构如图 1 所示。电动机 A 固定在支架 B 上，通过转轴 F驱动旋转臂 C 旋转。摆杆 E 通过转轴 D 固定在旋转臂 C 的一端，当旋转臂 C 在电动机 A 驱动下作往复旋转运动时， 带动摆杆 E 在垂直于旋转臂 C 的平面作自由旋转。
其中系统的驱动采用了Mos管电机驱动；姿态获取通过角度传感器; 控制部分采用PID算法，实现题目在角度等的精度要求和及时性；该系统通过串口通信来进行PID各参数的串口调试工作；同时利用按键切换不同的模式。系统供电由12V电源适配器。

图 1 旋转倒立摆结构示意图

关键词：TM4单片机；MOS管电机驱动；角度传感器；PID算法；降压模块

一、系统方案

本系统主要由单片机控制模块、电源模块、电机驱动模块、显示模块、姿态获取模块、串口通信组成，下面分别论证这几个模块的选择。

1、主控制器件的论证与选择

1.1.1控制器选用

单片机比较
方案一：采用传统的STC89C51系列单片机。
方案二：采用TI公司的TM4单片机
通过比较，TM4功能更强大，我们选择方案二。

1.1.2控制系统方案选择

方案一：采用在面包板上搭建简易单片机系统
在面包板上搭建单片机系统可以方便的对硬件做随时修改，也易于搭建，但是系统连线较多，不仅相互干扰，使电路杂乱无章，而且系统可靠性低，不适合本系统使用。
方案二：自制单片机印刷电路板
自制印刷电路实现较为困难，实现周期长，此外也会花费较多的时间，影响整体设计进程。不宜采用该方案。
方案三：采用单片机最小系统。
单片机最小系统包含了显示、矩阵键盘、A/D、D/A等模块，能明显减少外围电路的设计，降低系统设计的难度，非常适合本系统的设计。
综合以上三种方案，选择方案三。

2、电源模块的论证与选择

方案一：自己设计电源电路及降压电路，并在洞洞板上焊接。
方案二：采用电源供电，然后利用降压模块来给传感器供电
综合以上两种方案，选择方案二。

3、电机驱动模块的论证与选择

驱动方案一：H桥驱动
驱动方案二：BTN7971或BTN7970驱动
驱动方案三：Mos 管驱动
综合以上三种方案，选择方案三。

4、其他外设模块的论证与选择

4.1：按键模块

方案一：利用串口发送指令选择不同的模式。
方案二：通过按键切换不同的模式。按键控制比较方便。
综合以上两种方案，选择方案二。

4.2：角度获取

结合成本以及应用于本系统的简易性、可移植性，我们采用了角度传感器模块来获取摆杆在摆动时的具体角度。

二、系统理论分析与计算

1、电机驱动模块的分析

（1）该模块采用7.2V供电，由TM4单片机输入四路PWM波，进而有四路输出来驱动两个电机,控制正反转。
（2）总线驱动芯片采用74LS08，不仅可以提高信号驱动能力，同时可隔离MOS管和单片机，保护单片机芯片，防止mos损坏后将电池电压直接输入到单片机，进而烧坏单片机控制引脚；
（3）采用B0512S来进行12V稳压。
（4）采用IRL7843与IR2104S作为驱动芯片

2、转向角度理论分析

通过角度传感器来实现，定1ms的中断，然后通判断是否达到目标角度。

3、PID达到目标速度的计算

利用PID算法来既快又稳地达到目标要求，其中P为比例，I为积分，D为微分。由于有两个电机，故计uo_a为一号电机，uo_b为二号电机，PID公式为uo_a=d_kp_ad_error_a+d_ki_aerror1_a+d_kd_a*dd_error_a，error表示差值，uo_a表示要加或减的占空比。

三、电路与程序设计

1、电路的设计

（1）系统总体框图
系统总体框图如图1所示

图1 系统总体框图
（2）电机驱动系统框图与电路原理图
电机驱动系统框图

图2 电机驱动系统框图
（3）电源
电源由电池、降压模块组成。为整个系统提供 5V与 12V电压，确保电路的正常稳定工作。

2、程序的设计

（1）程序功能描述与设计思路
1、程序功能描述
根据题目要求软件部分主要实现对系统的控制，通过角度传感器获取角度信息; 控制部分采用PID算法，来实现题目在转向角度精度要求和及时性；指令通过zigbee来进行串口通信；整车供电由12V电池与降压电路构成。
（2）程序流程图

图3 程序流程图

四、测试方案与测试结果

1、测试方案

（1）硬件测试
（2）软件仿真测试
（3）硬件软件联调

2、测试条件与仪器

测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。
测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。

3、测试结果及分析

经测试，该简易倒立摆系统能达到目标要求

五、参考文献

[1] 谭浩强.C语言程序设计[M].北京:清华大学出版社,2012
[2] 算法竞赛入门经典.清华大学出版社
[3] 数据结构.清华大学出版社
附录1：电机驱动原理图

附录2：源程序
电机PID函数：

void dianji_pid(int target)
{ 
   
    error1_a = abs(target)-wheel_1;
    error1_b = abs(target)-wheel_2;
    d_error_a = error1_a - PreError_a;
    dd_error_a = d_error_a - PreDerror_a;
    PreError_a = error1_a;
    PreDerror_a = d_error_a;

    d_error_b = error1_b - PreError_b;
    dd_error_b = d_error_b - PreDerror_b;
    PreError_b = error1_b;
    PreDerror_b = d_error_b;

    uo_a=d_kp_a*d_error_a+d_ki_a*error1_a+d_kd_a*dd_error_a;
    pwm_add_a=(int)uo_a;
    dianji_value_a+=pwm_add_a;

    uo_b=d_kp_b*d_error_b+d_ki_b*error1_b+d_kd_b*dd_error_b;
    pwm_add_b=(int)uo_b;
    dianji_value_b+=pwm_add_b;

    if(error1_a<=1 || error1_b<=1)
    { 
   
        wheel_1=0;
        wheel_2=0;
        tt=0;ttt=0;
        dianji_value_a=0;
        dianji_value_b=0;
        IntDisable(INT_TIMER0B);
        TimerDisable(TIMER0_BASE, TIMER_B);
   // PWMOUTSet(0,0);
        PWMOUTSet(-100,-100);
        return 0;
    }
    if(target>=0)
    { 
   
        PWMOUTSet(dianji_value_b,dianji_value_a);//占空比
    }
    if(target<0)
    { 
   
        PWMOUTSet_Back(dianji_value_b,dianji_value_a);
    }
}