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

　　2.2.2 旋轉(zhuǎn)臂動(dòng)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(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)，此種方案放棄采用現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)芯片，自己設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路。由于本系統(tǒng)要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分穩(wěn)定工作，經(jīng)多次試驗(yàn)證明，自己設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路仿真實(shí)驗(yàn)還可以，但實(shí)際應(yīng)用中還是不穩(wěn)定。

　　方案二：采用ULN2003A芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)。ULN2003A由7個(gè)NPN達(dá)林頓管組成，但要驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)。此芯片實(shí)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(jiǎn)單，故在本系統(tǒng)中采用此方案。

　　2.2.3 倒立擺角度測(cè)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(jì)，具有信號(hào)調(diào)理、低通濾波器、溫度補(bǔ)償、自測(cè)、可配置通過(guò)中斷引腳檢測(cè)、以及脈沖檢測(cè)(用于快速運(yùn)動(dòng)檢測(cè))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(dòng)過(guò)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(cè)模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)與分析

　　通過(guò)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(dòng)導(dǎo)電塑料電位器進(jìn)行計(jì)數(shù)，將導(dǎo)電塑料電位器計(jì)數(shù)值輸給單片機(jī)，然后實(shí)現(xiàn)控制。利用編碼器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制。

　　擺動(dòng)公式：
    

　　constA——控制角度常量

　　3 機(jī)械與硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 機(jī)械部件設(shè)計(jì)

　　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(jì)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(guò)轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)臂連接，帶動(dòng)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(dòng)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(dòng)并實(shí)現(xiàn)各種功能。將擺桿與電位器通過(guò)聯(lián)軸器相連，用電位器旋轉(zhuǎn)的次數(shù)檢測(cè)擺桿的狀態(tài)，擺桿擺動(dòng)的角度大小與電位器旋轉(zhuǎn)的次數(shù)有一個(gè)對(duì)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(cè)量盲區(qū)，所以在安裝前需要測(cè)定盲區(qū)位置，將盲區(qū)位置對(duì)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?yàn)樵诖藚^(qū)間內(nèi)不需要測(cè)量特定數(shù)據(jù)，擺桿可依靠慣性完成剩余圓周運(yùn)動(dòng)。在通過(guò)電位器采集倒立擺的角度信號(hào)輸給單片機(jī)，編碼器采集旋轉(zhuǎn)臂的速度信號(hào)輸給單片機(jī)，單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(jì)

　　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(diǎn)，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(jì)的主控板進(jìn)行控制。如圖4所示。