毕业多年的我也来做做旋转倒立摆

ehco

毕业多年的我也来做做旋转倒立摆 [复制链接]

 

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俺在05年和07年参加过2次国赛，可以说对这个比赛有种莫名的感情，今年9月份，我小孩刚出生。
上网闲逛看见又开始了2年一度的国赛，其中还有个倒立摆的题目。于是为了预防老年痴呆，动手也做了个。
效果马马虎虎，主要是为我下一步的自悬停火箭热热身。借此也纪念一下8年前我的参赛队友，毕业后各奔东西
联系甚少，只能祝他们各项顺利，生活稳如倒立摆。

有兴趣的朋友可以看看下面的视频
第一个视频是只加了速度控制环的，稳摆时可以匀速旋转。

第二个视频是速度环加位置环共同控制，可以实现定点稳摆。


方案概述：
一、驱动电机：由于老婆大人不准设小金库，所以俺只能买了二手的57步进电机，伺服谐波减速电机这货就不敢想了。
PS，看了看今年比赛的同学们，貌似很多都失败在电机选型上，这不能怪同学们，其实是现代大学教育模式下学生工程经验缺乏导致的。
对于这个倒立摆的应用，电机选型有几个必须保证的要点：一是变速平滑，控速精密；二是高扭矩；三是启动死区小；四是机械间隙小。其实能满足这几个条件的就2种电机，1步进电机，2空心杯谐波减速伺服电机。
同时，为了保证整个系统有足够的刚度和精密的配合，所有机械部分全部为数控CNC成型。
二、控制量：什么拉格朗日我不懂，但通过牛2定律的简单推导，可以得到控制量为横杆的角加速度，这次看了，很多用步进电机的同学错误的选择横杆角位移为控制量，所以导致后面怎么调都是抖的。
三、稳摆算法，其实我想说，不是算法越刁钻效果就越好的，对于这个应用，单纯的PD调节就足够了。
更多设计方法，楼后继续补充，欢迎大刀吐槽。

[ 本帖最后由 ehco 于 2013-10-2 11:55 编辑 ]

juring

这个NB~

季夏木槿

赞一个！:carnation: :carnation: 我做的这题啊！！

ehco

继续
角度传感器：我选用的是电位器式绝对值编码器，当然不是单纯的电位器，其内部是光栅结构的，只是输出的数据为电压量而已。在0-360度的范围内，此编码器具有良好的线性及定位精度（12位）。这个传感器重量尺寸越小越好，启动扭矩越小越好。
这里值得一提的是，貌似很多同学都为这个编码器的引线头疼，殊不知有个东西叫导电滑环，自制或购买成品都能解决您引线缠绕之苦。

控制器：这里用了STM32的芯片配合CPLD完成，前者主要完成ADC转换和大量的浮点控制算法，后者主要完成一些高速并行的逻辑处理。

wangfuchong

原来   这个      叫         倒立摆

风的呼唤

表示楼主工程经验相当丰富啊，学习了。

wudayongnb

世界上的牛人这么多，为什么我不是其中一个

wudayongnb

请问楼主，我经常看到有人用ARM和CPLD一起做东西的，我想请教一下，CPLD不是用vHDL或者vialog语言编程序吗，两者是如何结合到一起的呢，就是两者在一起弄该怎么弄呢？楼主能详细说一下吗，谢谢

k331922164

请问楼主整个设计花费多少呢？

able200330

今年做倒立摆摆失败的同学向你致敬，我们选的电机是57电机用AVRatmage16控制用12ADmax187采样，但是不是很懂闭环控制，还请楼主上传下你是怎么代码实现闭环控制的，谢谢！

able200330

我们用模糊算法最多能倒立顶住5秒左右

ehco

您好，朋友。ARM和CPLD结合是指的硬件上的结合，并不是说两者的语言相结合。ARM是时序处理器件，专门用来处理流水的算法。CPLD是逻辑器件，专门完成硬件逻辑的构建，因为是独立于ARM的CPU运行的，所以不占用ARM的CPU机时，执行效率高许多。
举个简单的例子，您应该做过LED点阵驱动吧，如果单纯用ARM来做，什么行列扫描都必须占用CPU的计算时间。但是如果配合CPLD或FPGA的话，可以单独构建一个LED驱动逻辑，简单地重复LED点阵的行列扫描、余辉消除等工作；这样，ARM的任务就是简单地向CPLD构建的驱动器送入字符数据即可，省下时间来处理其他任务。当然此例可能不是很准确。
再举个例，您应该知道ARM都包含许多片内外设吧，例如GPIO，Timer，UART，I2C总线设备，SPI总线设备等等，我们要操作他们的时候，只需要读写几个寄存器即可，具体的工作由外设自动完成；CPLD外设也是一样的，只不过是做在片外而已，ARm只需要告诉他需要处理的数据，具体怎么处理由CPLD独立完成。
不知这样解释您是否满意，因为逛论坛的时间有限，如果有更多的疑问欢迎加我q一起交流27530390①。谢谢。

ehco

嘿嘿，这个还没细算呢
大约就是电机+驱动+传感器+控制单元
约摸500来rmb吧

ehco

您好，我是这样处理的，将PID环放在一个定时器中断中，每2mS执行一次，以下是核心代码。加速度环的采集量是摆杆角度编码器，位置环的采集量是步进电机的正反脉冲计数，以此实现闭环控制。
void TIM2_IRQHandler(void)
{
if ( TIM_GetITStatus(TIM2 , TIM_IT_Update) != RESET )
  {
    TIM_ClearITPendingBit(TIM2 , TIM_FLAG_Update);
  }
   
    ADC_DOWN=268;
    ADC_FULL=4075;
    filter();//获取AD采样值并进行均值滤波
    ADC_temp=(float)After_filter[0];
    //ADC_temp=12;
    if(ADC_temp         ADC_temp+=ADC_FULL;
    f_angle=((ADC_temp-ADC_DOWN)/ADC_FULL)*360;
   
    KP_L=(float)After_filter[1]/200;
    KD_L=(float)After_filter[2]/200;
    KP_V=(float)After_filter[3]/20;
    KD_V=(float)After_filter[4]/40;
   
// ************ PID位置环，控制稳摆位置 ***********
    float TimeCh1 = 0.002;                                       // 采样时间(s)
   //float Kp1 = 6.53, Ki1 =0.00, Kd1 = 2.84;                    // 比例系数、积分系数、微分系数
    float Kp1, Ki1, Kd1;
    Kp1=KP_L;Ki1=0.0;Kd1=KD_L;
    float Setpoint1 = 0;                                  // 设定目标值(degree)
    float outMin1 = -3000, outMax1 =3000;                   // 输出上限、输出下限

    float Input1 = (float)(CNTS*(0.0140625)); // 170;                            // 输入赋值
    float error1 = Setpoint1 - Input1;                     // 偏差值
    ITerm1+= (Ki1 * error1 * TimeCh1);                      // 计算积分项
    ITerm1 = constrain(ITerm1, outMin1, outMax1);           // 限定值域
    float DTerm1 = Kd1 * (Input1 - lastInput1) / TimeCh1;    // 计算微分项
    Output1 = Kp1 * error1 + ITerm1 - DTerm1;                // 计算输出值
    Output1 = constrain(Output1, outMin1, outMax1);         // 限定值域
    ERR1=Output1/100;

    lastInput1 = Input1;                                  // 记录输入值   
   
   
   
// ************ PID加速度环，控制稳摆 ***********
    float TimeCh = 0.002;                                       // 采样时间(s)
    //float Kp = 142.0, Ki =0.00, Kd = 17.6;                    // 比例系数、积分系数、微分系数/
    float Kp, Ki, Kd;
    Kp=KP_V; Ki=0.0; Kd=KD_V;
    float Setpoint = 180;                                  // 设定目标值(degree)
    float outMin = -20000, outMax =20000;                   // 输出上限、输出下限

    float Input = f_angle;                             // 输入赋值
    float error = Setpoint - Input - ERR1;                     // 偏差值
    ITerm+= (Ki * error * TimeCh);                      // 计算积分项
    ITerm = constrain(ITerm, outMin, outMax);           // 限定值域
    float DTerm = Kd * (Input - lastInput) / TimeCh;    // 计算微分项
    Output = Kp * error + ITerm - DTerm;                // 计算输出值
    Output = constrain(Output, outMin, outMax);         // 限定值域
    A_INPUT=Output;

    lastInput = Input;                                  // 记录输入值


}

ehco

估计您的模糊控制中没加入自学习项，只加了基础知识库。所以不会动态整定到最佳控制值。

w_shuai

楼主厉害，我们也是做的的倒立摆，做的PD函数写的不是很好。。。偶尔会倒立

able200330

感谢楼主的热心回复，谢谢

mrt

楼主能加个QQ吗？

wudayongnb

明白了，谢谢您

咫尺2013

哎，不知道怎么使用PID控制