基于ARM單片機(jī)的智能旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)設(shè)計

　　2.2.2 旋轉(zhuǎn)臂動力模塊方案比較

　　方案一：采用自己搭建的雙H橋電機(jī)驅(qū)動電路驅(qū)動電機(jī)，此種方案放棄采用現(xiàn)成的驅(qū)動芯片，自己設(shè)計驅(qū)動電路。由于本系統(tǒng)要求電機(jī)驅(qū)動部分穩(wěn)定工作，經(jīng)多次試驗證明，自己設(shè)計的驅(qū)動電路仿真實驗還可以，但實際應(yīng)用中還是不穩(wěn)定。

　　方案二：采用ULN2003A芯片驅(qū)動電機(jī)。ULN2003A由7個NPN達(dá)林頓管組成，但要驅(qū)動電機(jī)需要的外部電路比L298N復(fù)雜。

　　方案三：采用L298N電機(jī)驅(qū)動芯片驅(qū)動電機(jī)。此芯片實現(xiàn)的四種電機(jī)狀態(tài)已經(jīng)完全滿足題目要求，且四種狀態(tài)控制簡單，故在本系統(tǒng)中采用此方案。

　　2.2.3 倒立擺角度測量模塊方案比較

　　方案一：數(shù)字加速度傳感器。MMA7455數(shù)字加速度傳感器是一款數(shù)字輸出(I2C/SPI)、低功耗、緊湊型電容式微機(jī)械加速度計，具有信號調(diào)理、低通濾波器、溫度補(bǔ)償、自測、可配置通過中斷引腳檢測、以及脈沖檢測(用于快速運(yùn)動檢測)等功能。但是由于其成本高，控制比較復(fù)雜和麻煩。

　　方案二：采用精密可調(diào)電位器。電位器精度較高，高速運(yùn)動過程中抗干擾能力較強(qiáng)，安裝方便，雖然有小范圍盲區(qū)但容易消除。

　　綜合以上二種方案，在本系統(tǒng)中選擇方案四，使用WDY35D-4精密可調(diào)電位器，它軸載荷能力和抗干擾能力強(qiáng)，體積小，重量輕，適用于精密環(huán)境。

　　2.3 擺桿狀態(tài)檢測模塊詳細(xì)設(shè)計與分析

　　通過將導(dǎo)電塑料電位器安裝在旋轉(zhuǎn)臂的一端，旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)帶動導(dǎo)電塑料電位器進(jìn)行計數(shù)，將導(dǎo)電塑料電位器計數(shù)值輸給單片機(jī)，然后實現(xiàn)控制。利用編碼器測量電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)對電機(jī)速度的控制。

　　擺動公式：
    

　　constA——控制角度常量

　　3 機(jī)械與硬件系統(tǒng)設(shè)計

　　3.1 機(jī)械部件設(shè)計

　　旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)臂、倒立擺、支架、主控電路、伺服電機(jī)以及電位器等組成。本設(shè)計要求倒立擺的穩(wěn)定性、精確性、快速性和平衡能力較高，因此，以木板作為底座，以合金鋼做支架，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以合金材料做旋轉(zhuǎn)臂，將直流電機(jī)固定在支架上，通過轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)臂連接，帶動旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，保證控制的精確性和快速性。編碼器與旋轉(zhuǎn)臂固連，伺服電機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動力使旋轉(zhuǎn)臂根據(jù)擺桿角度的變化而旋轉(zhuǎn)，使擺桿能擺動并實現(xiàn)各種功能。將擺桿與電位器通過聯(lián)軸器相連，用電位器旋轉(zhuǎn)的次數(shù)檢測擺桿的狀態(tài)，擺桿擺動的角度大小與電位器旋轉(zhuǎn)的次數(shù)有一個對應(yīng)的關(guān)系。由于WDY35D-4電位器理論電氣轉(zhuǎn)角:345°±2°,存在一定測量盲區(qū)，所以在安裝前需要測定盲區(qū)位置，將盲區(qū)位置對應(yīng)到以自然下垂?fàn)顟B(tài)(擺角0°)為起始的270°至300°位置間，因為在此區(qū)間內(nèi)不需要測量特定數(shù)據(jù)，擺桿可依靠慣性完成剩余圓周運(yùn)動。在通過電位器采集倒立擺的角度信號輸給單片機(jī)，編碼器采集旋轉(zhuǎn)臂的速度信號輸給單片機(jī)，單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動，使倒立擺能夠順利完成任務(wù)。安裝如圖3所示。

　　3.2 主控模塊硬件電路詳細(xì)設(shè)計

　　考慮到單片機(jī)控制精度、穩(wěn)定性，以及擴(kuò)展方便與否等方面的特點，我們做的旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)采用野火Kinetis核心板加上自主設(shè)計的主控板進(jìn)行控制。如圖4所示。