电子设计竞赛-旋转倒立摆-整体方案

电赛结束了一段时间了，趁这段时间，总结、整理一下自己的方案

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先来看看题目要求吧：



看完题目，经过一番思索和百度之后，有了大概的方案，于是乎开始准备材料，设计机械（我负责），同时其他队员开始设计tb6560驱动、电源模块等等，当然如果你本来就打算选择控制类题目，步进、直流电机及其驱动最好在比赛之前就有充分的准备，我们是使用现成模块的同时开始制作tb6560（比赛的时候其实评委不看我们做的电路，只看我们能否完成题目要求）
用到的材料大部分都是以前的雕刻机项目剩下的材料，倒是省了不少时间，时间宝贵，当然怎么简单有效怎么来了，编码器连接件等东西是这几天加工出来的，abs材料
来张机械结构渲染图，比赛的时候并没有把全部结果画出来，画出个大概就开始做了，那些细节都是比赛后加上去的：

具体的solidworks文件、工程图全部打包在附件中

接下来是电路部分，由于这是控制类题，所以电路比较简单，24v开关电源供电，2596-5v供系统工作，一块arduino nano，一块tb6560，一个ADC键盘用于现场演示，两个mini绝对型编码器1024线
ADC键盘，一个ADC口检测10个按键，我估计检测16个没问题：

tb6560：

2596稳压：


2014.10.26更新：
系统函数图如下：



在接下来就是程序了
总共写了14个版本程序，最后用的就是PID_1_3、PID_1_4，所以这里就给出这两个版本的注释吧：
///////////PID_1_3/////////
PID_1_3.ino :主程序，开机自动检测0°并计算出180°，之后进入循环功能演示。平衡采用PID控制，第一个PID，以摆杆角度作为作为输入，步进电机速度作为输出。第二个PID，以步进速度作为输入，平衡点作为输出（180°±8°）
当摆杆在-110°~-180°或110°~180°范围内时，进行平衡控制，否则关闭步进输出

编码器读数、PID控制放在Timer2中断中，以保证控制周期精准，控制周期5ms
串口命令读取、状态发送放在主函数循环中

起摆思路1：反复震荡摆杆使其摆角越来越大；步进电机往一个方向运动一点距离，停止，等待摆杆达到最高点，再反向运动，停止，等待摆杆达到反向最高点，如此反复，摆杆进入平衡范围后进行平衡控制（起摆时间太长，不采用）

起摆思路2：步进电机突然给一个方向速度，再急刹车，摆杆由于惯性继续圆周运动，当进入平衡范围时，进行平衡控制（时间基本1s以内)

起摆思路3：步进电机突然给一个方向速度，再急刹车，等待摆杆达到最高点，步进电机再反向快速运动，以提高摆杆动能（杆子太重可用此方法)


Stepp.ino :步进电机驱动，使用了Timer1，setStepperSpeed(long myspeed)用于更新速度，StepperEvent()根据速度值驱动步进，如果有加减速效果会更好

Command.ino :接收命令，更新参数，P100代表参数P=100,etc


Encoder.ino :绝对型编码器读数


Filter.ino :FIR低通滤波、中值滤波

function1~6.ino ：分别实现基本要求1~3，提高要求1~3



///////////PID_1_4/////////
PID_1_4.ino : loop中命令值略有更改


Command.ino : 将读取串口数据改为读取ADC键盘值，ADC键盘优点：仅一个AD口可实现10个按键，缺点：读数略复杂，只能单点按键，适合atmega328管脚少的芯片

其他函数同PID_1_3

程序比较长，这里就贴出PID_1_3的主函数吧，完整代码附在附件中：
文件夹说明

AccelStepper、AccelStepperConstSpeedTest 为AccelStepper步进电机驱动库

Encode_SwingUp、MiniEncoderTest 编码器测试

KeyTest ADC键盘测试

MotorPID、MotoTest 直流减速电机方案测试

pendulum_program_PID     Jiyue He(何吉越)的倒立摆方案

PID 我的倒立摆控制程序

PWMTest pwm频率测试

TimerOneStepper TimerOne库测试

pid说明：
PID_0_3 ~PID_1_2为测试版本，其中有的版本使用直流减速电机，有的版本使用步进电
机
PID_1_3：最终版本，使用串口作为调试手段
PID_1_4：最终版本，将串口调试改为键盘调试


硬件：
AVR atmega328，arduino nano
步进电机+TB6050
绝对型编码器x2（检测摆杆角度、步进）
12864液晶屏（最终没用上）
ADC键盘
24V电源


///////////PID_1_3/////////
PID_1_3.ino :主程序，开机自动检测0°并计算出180°，之后进入循环功能演示。平衡采用PID控制，第一个PID，以摆杆角度作为作为输入，步进电机速度作为输出。第二个PID，以步进速度作为输入，平衡点作为输出（180°±8°）
当摆杆在-110°~-180°或110°~180°范围内时，进行平衡控制，否则关闭步进输出

编码器读数、PID控制放在Timer2中断中，以保证控制周期精准，控制周期5ms
串口命令读取、状态发送放在主函数循环中

起摆思路1：步进电机往一个方向运动一点距离，停止，等待摆杆达到最高点，再反向运动，停止，等待摆杆达到反向最高点，如此反复，摆杆进入平衡范围后进行平衡控制（起摆时间太长，不采用）
起摆思路2：步进电机突然给一个方向速度，再急刹车，摆杆由于惯性继续圆周运动，当进入平衡范围时，进行平衡控制（时间基本1s以内)
起摆思路3：步进电机突然给一个方向速度，再急刹车，等待摆杆达到最高点，步进电机再反向快速运动，以提高摆杆动能（杆子太重可用此方法)


Stepp.ino :步进电机驱动，使用了Timer1，setStepperSpeed(long myspeed)用于更新速度，StepperEvent()根据速度值驱动步进，如果有加减速效果会更好

Command.ino :接收命令，更新参数，P100代表参数P=100,etc


Encoder.ino :绝对型编码器读数


Filter.ino :FIR低通滤波、中值滤波

function1~6.ino ：分别实现基本要求1~3，提高要求1~3



///////////PID_1_4/////////
PID_1_4.ino : loop中命令值略有更改


Command.ino : 将读取串口数据改为读取ADC键盘值，ADC键盘优点：仅一个AD口可实现10个按键，缺点：读数略复杂，只能单点按键，适合atmega328管脚少的芯片

其他函数同PID_1_3









视频、图片在这里：