外文翻譯--倒立擺的平衡器

1、<p><b>　　附錄A</b></p><p><b>　　倒立擺的平衡器</b></p><p><b>　　導(dǎo)言</b></p><p>　　此計劃的目標是建立和實施一個倒立擺的平衡器，在垂直兩維平面，使用比例積分微分（ PID ）的反饋控制。 </p><p&g

2、t;　　倒立擺的平衡是一個無線電控制汽車改裝，加入有機玻璃平臺和倒立擺與自由旋轉(zhuǎn)樞軸。電氣組成部分，平衡器，匯集了計算的硬件（ Atmel的mega32微控制器） ，一投入傾角傳感器（美國數(shù)字光學(xué)軸角編碼器） ，和一個輸出電機驅(qū)動器（美國國家半導(dǎo)體lmd18200 H橋）到一個單一的委員會，其唯一的目的是為自主控制的議案，汽車，以保持鐘擺從下降。 </p><p>　　機械學(xué)院與航空航天工程的反饋控制系統(tǒng)，當(dāng)然在

3、康奈爾大學(xué)，我們的愿望是要整合的知識，穩(wěn)定不穩(wěn)定的系統(tǒng)使用反饋控制（ mae478 ） ，快速，靈活的計算能力，微控制器（ ece476 ），和使用真實世界的工程工具和預(yù)算的限制，強加給我們的項目經(jīng)理。結(jié)果是一種簡單，廉價，及游藝設(shè)備，完成了我們預(yù)定的目標。 </p><p><b>　　高層次設(shè)計：</b></p><p>　　機源自反饋控制系統(tǒng)（ mae478 ）

4、 ，當(dāng)然，我們都是目前就讀英寸，我們要嘗試在一個項目的地方，我們可以落實反饋控制器與微控制器。問題是什么來控制。之后做一些研究，我們發(fā)現(xiàn)了斯坦福大學(xué)ee281項目由杰弗里班布里奇。這種“自我平衡的機器人”項目，試圖設(shè)計一個足機器人平衡本身使用的反饋控制與Atmel mega163微控制器。班布里奇企圖平衡桿直接相連的兩個輪子。他很快就加入了第三輪的支持和樞軸后，兩個車輪的設(shè)計創(chuàng)造了不想要的旋轉(zhuǎn)運動約縱軸。此外，班布里奇用傾角傳感器測量機

5、器人的角度。不過，傾斜傳感器被證明是不準確的，由于結(jié)合機器人的水平加速度和ARM的引力freefall 。</p><p>　　基本結(jié)構(gòu)的反饋控制系統(tǒng)是如下圖所示。該傾角傳感器讀減去參考的角度，以產(chǎn)生錯誤。這個錯誤是用來計算電機控制參數(shù)，使用PID控制算法（下文討論） 。電機控制，然后發(fā)送到設(shè)備上。我們決定繼續(xù)我們的反饋控制系統(tǒng)的SISO （單輸入單輸出） ，而不是的MIMO （多輸入多輸出）為簡單起見，以幫助我

6、們的黑箱建模。參考的角度是唯一的輸入該系統(tǒng)，和反饋控制使用的錯誤的角度，從范圍和計算電動機輸出。</p><p>　　我們有限的機械工程能力，隨著短期的時間內(nèi)完成項目，最惠國待遇，使用一種預(yù)制的汽車。 1 4輪車的經(jīng)驗，不會轉(zhuǎn)動的議案，班布里奇在他所遇到的項目。 RadioShack公司的廣泛的選擇玩具的無線電控制車，使我們的甄選過程中十分容易。一旦一個穩(wěn)定的車輛與快速反應(yīng)的特點被發(fā)現(xiàn)和修改，以舉行一次倒立擺，搜

7、索轉(zhuǎn)而尋找一個可靠的，高分辨率的角度傳感裝置。兩個最可行的選擇是一種基于MEMS加速度計或光學(xué)編碼器。經(jīng)初步測試，模擬加速度無法執(zhí)行，以及為數(shù)字編碼器。因此， 1024赫茲革命（心肺復(fù)蘇術(shù)）光學(xué)軸角編碼器由美國數(shù)字成為我們的角度傳感器。這是一個巨大的進步超過了傾斜傳感器，由于編碼沒有受到影響，所帶來的影響的嚴重性，或汽車的加速度。 </p><p>　　該Atmel的mega32微控制器使用，而非該mega163

8、由于其優(yōu)越的速度，為外部中斷采樣的編碼數(shù)據(jù)，并更加多才多藝計時器選項。初步黑箱測試的汽車的直流電動機的能力，給了我們一個好主意的汽車的性能。不同的駕駛情況觀察，包括單方向的駕駛執(zhí)照和振蕩的議案。整理后，電機控制，我們提出的測試傳感器。光學(xué)編碼器的輸入信號，很快就轉(zhuǎn)化為一個錯誤的角度引用從最初計數(shù)的價值。 </p><p>　　最后設(shè)計階段，是比例積分微分（ PID ）的控制器與角誤差，以汽車的速度和方向（見方程下

9、文） 。比例任期（一）適用于電壓，以汽車比例錯誤。這個值影響了車的反應(yīng)時間;更高的比例來說，速度更快汽車的回應(yīng)不惜犧牲系統(tǒng)的穩(wěn)定性。積分任期（二）將正確的任何穩(wěn)態(tài)誤差會出現(xiàn)因任何反應(yīng)遲緩由電動機。積分控制將給予汽車一點點額外的“推” ，以確保正確的追蹤的參考角度。不過，較高的積分控制任期將創(chuàng)造振蕩是要么無法或可能投擲系統(tǒng)的不穩(wěn)定。最后，衍生金融工具的任期（三）是用來理順的變化，誤差隨著時間的推移。這個名詞，通常可以理順振蕩的車輛在犧牲慢

10、的反應(yīng)。微調(diào)這三個變量，根據(jù)系統(tǒng)的行為將允許汽車，以平衡倒立擺。 </p><p><b>　　程序和硬件設(shè)計</b></p><p>　　硬件設(shè)計所需的硬件倒立擺的平衡器，可以很容易被分成2子系統(tǒng)：機械和電氣。 機械工業(yè)： </p><p>　　我們的首要目標是迅速取得設(shè)備的能力正向和反向的議案，與快速的過渡和快速加速。缺乏知識的機械車設(shè)計和

11、能力，以齒輪馬達正確足夠的轉(zhuǎn)矩動議的購物車，我們迅速通過的想法使用的無線電控制汽車，作為我們的基地。測試后的各種鋼筋混凝土車從RadioShack公司，我們找到了車，似乎有表現(xiàn)，我們需要的，隨著穩(wěn)固的基地，便很容易讓一個鐘擺儀器安裝。 </p><p>　　汽車的直流電動機是設(shè)在方便的位置，在車尾下方的汽車。 6節(jié)AA電池被制造商的定義電源;因此，我們知道我們的電力供應(yīng)將不得不供應(yīng)至少9伏特。六個機管局的安裝與休

12、息，在過去的接觸電池匣和一個電流表（一套來衡量目前的）在一系列的措施，目前所得出的裝置。與汽車沒有在負載情況下（即沒有在地板上與車輪在空氣中） ，設(shè)備提請300毫安。我們估計，在負載情況下，汽車至少需要600-800毫安運行與足夠的電源。通過搜查后，許多電源供應(yīng)器，在菲利普斯大會堂數(shù)字實驗室，我們發(fā)現(xiàn)一個12V的1500毫安電力供應(yīng)從RadioShack公司，這將是足夠多的為我們的需要。這是后來發(fā)現(xiàn)荷載作用下，快速轉(zhuǎn)型期的議案，該裝置實

13、際上是提請大約900毫安從供應(yīng)。 </p><p>　　選擇后，我們的設(shè)備，我們下一步的任務(wù)是建立一個倒立擺對汽車。一樹脂玻璃鋼板是用來建立一個平臺上，重視鐘擺（見圖片9 ） 。這板是有擔(dān)保，以汽車與4螺栓在每一個角落的車輛。在該中心的平臺，兩個括號內(nèi)放置與內(nèi)部的角度談到對方，連一個6.3 “螺絲釘，并用來創(chuàng)造的支點鐘擺（見圖3 ） 。最后， 38條“棒（ 3 / 8 ”直徑）是擰成的中心頂端括弧內(nèi)為創(chuàng)造我們的鐘

14、擺。這似乎是奇怪，有一個38 “桿以上的12個”汽車。桿的高度，按照設(shè)計，不過，行為在我們的青睞，作為規(guī)模較大的轉(zhuǎn)動慣量（及更高的質(zhì)心） ，實際上拖慢桿的初步運動。新增加的重量，以車輛將健全有害的影響，汽車的懸架系統(tǒng)。因此， 4彈性條帶，放在靠近汽車在以鎖定的沖擊，在一個壓縮的立場。 </p><p>　　與鐘擺會議上頂端支架，螺絲署理作為一個契機，我們下一步的任務(wù)是能夠探測到的角度和方向，鐘擺的傾斜。我們的第一

15、選擇是一個基于MEMS加速度電子設(shè)備產(chǎn)品---adxl202e 。不過，初步檢驗證明，該加速度計的模擬信號不會為我們提供了該決議，我們需要的角度來檢測。數(shù)位輸出的無鉛表面貼裝adxl202e被停用，與印刷電路板，我們用來掛載。因此，我們拒絕向美斯處，那里我們可以借用1024cpr （赫茲革命）光學(xué)軸角編碼器從mae478的反饋實驗室。 </p><p>　　而不是使用編碼器的軸作為支點，我們決定使用辦法，將付諸表

16、決的最低金額應(yīng)力對微妙的一件設(shè)備。編碼器被放置在同向平行鐘擺的括號內(nèi)。高度編碼器的軸是不結(jié)盟與樞紐，有效地創(chuàng)造一個假想線從樞軸，以編碼器的軸。最后，一個PIN是連接到軸的編碼器，塑膠鐵包裹，并連接到擺的支架。托架有一個0.096 “鉆孔以上的契機，例如，該引腳將緊密配合，沒有滑倒;因此，當(dāng)鐘擺動議，該編碼器的軸旋轉(zhuǎn)（見圖3 ，圖3和圖4 ） 。 </p><p><b>　　電氣： </b>

17、</p><p>　　一旦不穩(wěn)定，擺組裝和安裝在汽車，電氣線路要設(shè)計的接受信息，從光學(xué)編碼器，處理信息，然后控制車輛在正向和反向的議案。我們并不需要任何無線電控制電路或轉(zhuǎn)折的能力，為我們的設(shè)計;因此，汽車的馬達線的其余部分隔開制造商的電路由刈割電線，導(dǎo)致汽車。應(yīng)用潛力，汽車，導(dǎo)致會造成電機的自旋在一個方向，雖然扭轉(zhuǎn)了極性對線索將導(dǎo)致直流電動機，以針在相反的方向?？刂破嚨恼蚝头聪虻淖h案，我們需要一個簡單的四開關(guān)

18、裝置（見圖1 ）這將確保保護，以免在短期內(nèi)的直流電源，即是開關(guān)1和第4或第2和第3不可能封閉在同一時間內(nèi)。經(jīng)營電機在一個方向，只要關(guān)閉開關(guān)1和第3款;逆向運作，開放交換機1和第3條和關(guān)閉開關(guān)2和4 。停止電機完全，只需打開所有開關(guān)。 </p><p>　　而非身體落實每個開關(guān)作為一個晶體管，美國國家半導(dǎo)體lmd18200t H橋使用。這方便， 11引腳封裝，可接受多達55v供電電壓及可提供高達3A條輸出電流。該設(shè)

19、備包含4 -開關(guān)安裝需要為我們的電機控制，隨著保護二極管和電路，以確保有是從來沒有在短期內(nèi)從供應(yīng)至地面。連接后，供應(yīng)（引腳6 ）和地面（引腳7 ） ，只有3的投入，控制運作的汽車。休息位（引腳4 ）是用來有效地短期的輸出終端連接到電動機。沒有一個電位差的全國汽車線索，設(shè)備不運作。高突破位執(zhí)行此功能;低打破位將允許目前流經(jīng)汽車。方向的汽車是確定的方向位（引腳3 ） 。當(dāng)方向是高，輸出1 （引腳2 ）將源的同時，輸出2 （引腳10 ）將下沉

20、，反之亦然為低的方向位。最后，速度，汽車是由脈寬調(diào)制（ PWM ）信號引腳5的H橋。速度是成正比的脈沖寬度在此輸入;越高，占空比，更高的速度運動。此外，為了增加業(yè)績， 0.01 μ F的電容器放在從每個輸出其相應(yīng)的Bootstrap PIN和100 μ F的旁路電容供應(yīng)（汽車之間的供應(yīng)和地面） ，以吸納循環(huán)電流的電感負載，因為每制造商的建議。如果沒有這個100 μ F的電容器，汽車的行為是非常呆滯</p><p>

21、;　　一旦硬件驅(qū)動電機被確定，我們提出建立一個獨立的委員會，例如，所有的控制將是該車輛。使用六的“ X 2-1/16 ”效能董事會，我們開始奠定了必要的組件為Atmel的mega32單片機的運行沒有沙頭角- 500發(fā)展局。我們的初步委員會使用一個單一的12V電源提供動力都MCU和汽車。德克薩斯儀器ua7805ckcs電壓調(diào)節(jié)器是用來把一個5V的規(guī)管，以微控制器。 1 0.1 μ F的電容器至地面被放置在對方的監(jiān)管，以阻止任何噪音對線從重

22、置的MCU 。一個16 MHz的晶體放在全國xtal1 （引腳13 ）和xtal2 （引腳12 ） ，與27酚醛電容器至地面，在每個管腳。最后，一個2x3的標題被用來允許在系統(tǒng)編程的mega32 （見圖2 ） 。該vcc線在ISP的標題是殘疾人士。連接ISP的5V的路線，從而使在vcc從沙頭角- 500編程期間，到單片機的規(guī)管vcc線，直接來自12V電源供應(yīng)，可能會導(dǎo)致兩用品戰(zhàn)斗對方，如果他們雙方就在同一時間內(nèi)。因此，我們決定最好的選擇

23、將是禁用的ISP的vcc路線，始終使用我們的12V電源線。不過，這需要董事會來提供動力，當(dāng)外部編程。該（ ISP引腳1 ） ，</p><p>　　加入的光學(xué)編碼器電路的最后一步所需的硬件，以平衡擺。輸出通道A和B從編碼器（引腳3和5分別）被用來觸發(fā)外部中斷對引腳2 ， 3的分離。編碼器是連接到電路使用1x5針頭，其中發(fā)表5五，地面，和渠道A和B線，由單片機編碼。 （見圖2 ， j4 ）至于對電力，似乎只有一件事

24、阻止我們的電路在這一點上。 </p><p>　　一旦我們的軟件，準備進行測試，問題與硬件幾乎立即浮現(xiàn);最激烈正在噪音問題orignating從馬達。因為只有一，電力供應(yīng)使用的（ 12V的，以汽車和規(guī)管，以5V的為微控制器） ，噪音時創(chuàng)建的汽車將改變方向，將旅行下來，地面線和重置的MCU ，其中有一個絕對的最高評級二〇 〇毫安直流電流對vcc和接地引腳。身體分開，地面線（但所有領(lǐng)導(dǎo)到同一供應(yīng)地面）并沒有幫助。這是

25、進一步看到測試時使用沙頭角- 500和一個單獨的H橋?qū)υ兔姘咫娐?。由于噪音不斷重置的MCU和唯一的線連接沙頭角- 500 ，以H橋是地面，一個孤立的地面計劃已被用作。因此，我們從一個單一的供應(yīng)，設(shè)計，以兩用品， 5V的電源，以微控制器和編碼器，和12V的嚴格的動力馬達。 </p><p>　　完全孤立汽車電路，不僅構(gòu)成H橋，從微控制器，三4n35光電隔離器是用來分離三線微控制器（打破，脈寬調(diào)制，和方向）從他們

26、的H橋?qū)趩挝?。這個裝置使用了紅外線二極管，把光敏三極管上下車。當(dāng)電流通過二極管，晶體管，基本上是一個封閉的開關(guān)，拋空至地面，在我們的應(yīng)用。當(dāng)光電二極管是小康，晶體管是一個開放的電路和輸出是高， 12V的，雖然1 卡拉電阻。由于12V電源供應(yīng)是不規(guī)范和通常的產(chǎn)出約14v ，兩個主導(dǎo)的在一系列被放在之間的12V電源和下拉線，使電壓約為11v 。這樣做是因為H橋的絕對最大輸入評級12V的對銷3,4 ，和5 。光電隔離器是一個逆變裝置，因此，

27、而非輸入一個信號，參照地面，我們用5V的作為投入和引用它的每三個信號。一旦信號倒置通過光電隔離器的晶體管，正確的信號傳遞給H橋，與例外，一個合乎邏輯的高是12V的，而不是5V的。由于光電隔離器使用圖像接收紅外信號，是沒有物理連接之間的微控制器的電路， H橋。因此，無噪音，從汽車可以到微控制器。 </p><p>　　加入三個光電隔離器所作的電路板布局非常緊湊。因此，只有一個電源開關(guān)是使用。開關(guān)控制的MCU的權(quán)力，

28、而12V的電機功率是總是連接。這是值得一提的注意，如果沒有輸入信號來在向H橋，電機不運行。這兩個電源供應(yīng)器連接到董事會與兩針的標題。完全分離的理由之間的電機和微控制器解決所有的噪音問題，并允許用于高速電機的過渡沒有單片機復(fù)位。</p><p>　　程序設(shè)計-有三個主要職能，在最后的控制器代碼：傳感器（編碼器）輸入， P ID控制計算，和電機控制輸出。該馬達控制器代碼（ 測試電力 ）的書面第一。該直流電動機的控制，

29、通過一個H橋和三信號控制打破（ /關(guān)閉） ，速度和方向的汽車。這些信號輸出從插針，港口總署署長微控制器，以針對H橋。速度，汽車是由一個脈寬調(diào)制（ PWM ）信號。目前交付給馬達是成正比的脈寬，從而百分比免稅周期決定的速度，汽車。因為我們不知道在什么頻率輸出的PWM信號，以及如何敏銳地免稅周期會影響速度，汽車，我們希望寫一電動機驅(qū)動器的代碼可能會改變雙方的PWM信號的頻率和占空比期與安心。為此，我們挑選港口署署長微控制器。該控制器（ pd

30、5 ）針對港口d可以作為一種外部輸出定時器1的輸出比較模式。 “快速PWM模式”運作，定時器1提供了一個高頻率PWM波形的一代。柜臺為定時器1是遞增的從零發(fā)展到頂端，然后重新啟動從零。該控制器是集（ PIN是一套高@ 5V的）時，柜臺達到頂端的價值。該控制器是清除（ PIN是低于0 V ）時，有一個比較匹配之間的柜位和ocr1a登記。因此，頂端計數(shù)器的值（隨時鐘分頻器的價值）決定了頻率和o</p><p>　　測

31、試頻率和占空比期間的PWM信號驅(qū)動直流電動機，測試代碼（無效速度測試）是書面，其中利用按鈕就沙頭角- 500發(fā)展局。兩個按鈕被定義為增加或減少價值的登記，而在效果增加了還是減少了頻率的PWM信號。兩個按鈕被定義為增加或減少價值的登記，在效果增加了還是減少了免稅周期的PWM信號。當(dāng)改變這些登記的價值觀，代碼已檢查的價值少于價值。如果價值，成為大于1值，比較符合之間的柜臺絕不會發(fā)生，因為定時器1計數(shù)器將重置為零。一個按鈕的定義是要切換的方向

32、信號和另一個按鈕的定義是要切換突破的信號。使用此執(zhí)行，我們發(fā)現(xiàn)設(shè)置icr1價值300是足夠的控制電機。這是相當(dāng)于有208.3hz PWM信號（ （ 16e6hz/256 ） / 300 = 208.3hz ） 。 </p><p>　　接下來，我們制定了一個函數(shù)（無效電力控制）在汽車測試代碼，我們在那里計劃接受輸出的PID控制器。的PID計算，將使用的角度看，鐘擺計算速度上，以推動購物車。標志的錯誤將確定的方向運

33、動車。的功能,電力控制,接受輸出的PID計算，并列出的速度（占空比期）,方向（注冊的PID控制輸出），和會期的時間，其中去在這個速度。之后，這些參數(shù)都設(shè)置，打破是關(guān)閉的（一套低） ，并要等到計時器運行。當(dāng)計時器運行，休息是打開的（高）和功能的目的。這是很重要的注意，時間計時器決定率在哪個PID的計算是演出。后的功能結(jié)束后，代碼可以追溯到的PID計算（見圖5 ）凡誤差的角度來看，是用來計算新的速度和方向。使用這項新功能，我們在測試速度有多

34、快車可以振蕩。試驗證明，車是有能力改變方向，速度不夠快，性格行為，我們懷疑這將是需要平衡的一個不穩(wěn)定的鐘擺。</p><p>　　之后，我們決定編碼器會是一個更好的傳感器測量傾斜超過1加速度計，我們寫了傳感器控制器代碼。編碼轉(zhuǎn)換實時軸角，速度和方向，分為兩個頻道的TTL方波產(chǎn)出與指數(shù)脈沖。該決議是1024cpr （赫茲革命），或1024周期每360機械程度的軸旋轉(zhuǎn)。方波輸出的是對雙方的渠道，一旦每個周期。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)

35、在一個順時針旋轉(zhuǎn)，頻道b導(dǎo)致渠道的一個6.3的周期，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸是在一個輪換，導(dǎo)致頻道1頻道B的6.3的周期。該指數(shù)也輸出脈沖，一旦每個周期時，雙方頻道A和頻道B的低。 （見圖6 ）保持追蹤，其中的兩個頻道，云高，首先，我們可以跟蹤的旋轉(zhuǎn)軸。通過測量時間之間的上升/下降邊緣之間的CH 。 A和B的方波輸出，我們可以計算的速度，軸的自轉(zhuǎn)。不過，我們不關(guān)心速度，軸的傾斜，所以這是沒有計算。在另一方面，我們關(guān)心的角度軸，可維持的軌道上來計數(shù)每個周

36、期，該編碼器的產(chǎn)出。 </p><p>　　獲得單片機的過程中的所有數(shù)據(jù)輸出從編碼器演變成一場棘手的任務(wù)。 1024赫茲革命轉(zhuǎn)化為一千零二十四分之三百六十○ = 0.35機械度，每個周期。每0.35度，編碼器輸出的兩方波和一個索引脈沖。第一次嘗試在試圖計數(shù)，每個編碼周期與單片機利用外部中斷引腳對港口D類（草2 ）連接到脈沖輸出的編碼。外部中斷服務(wù)程序是安裝程序引發(fā)的對每一個下降沿該指數(shù)的輸出。根據(jù)規(guī)格，編碼器，渠

37、道之一，將繼續(xù)高企于最300ns后的下降沿著脈沖。因為它需時約35周期進入的ISR （ ? 2e - 6或2 μ s時） ，電壓對頻道A和B是檢查在開始的ISR 。如果渠道之一是高，另一種是低，大家都知道的方向旋轉(zhuǎn)，并可以遞增/遞減計數(shù)器。執(zhí)行此工作，以及時快速旋轉(zhuǎn)，而不是緩慢的一個方向，當(dāng)緩慢旋轉(zhuǎn)，而不是快速在其他的方向。這可能是由于這一事實，即ISR公司所引發(fā)的對一下降和該頻道的水平正在發(fā)生變化太快相比的ISR的時間。 </p

38、><p>　　經(jīng)過痛苦的嘗試調(diào)試執(zhí)行此，我們決定嘗試另一種執(zhí)行兩個外部中斷（ int0/d.2和int1/d.3 ）連接到兩個通道輸出的編碼。外部中斷服務(wù)例程被觸發(fā)對每一個合乎邏輯的變化。期間，國際專線分銷渠道， 0th位的全球未簽名的燒焦變傳感器頻道將切換。期間，國際專線分銷渠道B區(qū)，第一位的傳感器頻道變量將切換。之后，每比特切換在每個ISR公司，價值的傳感器頻道變量將進行檢查。如果該值的傳感器頻道相當(dāng)于1 （ 0

39、x01 ）在國際專用線路分銷渠道，它將意味著ch.a是領(lǐng)導(dǎo)ch.b ，從而反順時針旋轉(zhuǎn)的軸。如果該值的傳感器頻道相當(dāng)于2 （ 0x02 ）在國際專用線路分銷渠道b ，這將意味著ch.b是領(lǐng)導(dǎo)ch.a ，從而順時針旋轉(zhuǎn)的軸。每一個周期的順時針旋轉(zhuǎn)，反變， 傳感器 ，是由一遞增，并為每個周期的反順時針旋轉(zhuǎn)， 傳感器變量遞增。本實施工作，像一個魅力的各種轉(zhuǎn)速在兩個方向。該傳感器變量被宣布為一個未簽名的量，是因為我們知道一旦鐘擺是安裝在汽車，一

40、系列的鐘擺會少于90度（三百六十分之一千○二十四* 90 = 256 ） 。該傳感器是初始化在128 ，使柜臺可以指望高達45度，在兩個方向。 </p><p>　　一旦傳感器的輸入和電動機輸出功率為代碼進行了測試，獨立，兩個邏輯被合并和測試第一沒有PID的計算（ 控制） 。此代碼是用來驅(qū)動汽車與手冊的旋轉(zhuǎn)編碼器軸。在重啟該計劃，汽車是不與任何驅(qū)動電壓。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)，為超過15度，在一個方向，電機驅(qū)動，在一個方向。如

41、果軸是帶回原來的立場，汽車被截停。如果軸旋轉(zhuǎn)，為超過15度，在其他方向，電機驅(qū)動，在相反方向。使用此程式碼，我們保證，該傳感器的輸入和電動機輸出的邏輯正在共同努力。 </p><p>　　實施PID控制的計算是相當(dāng)簡單的（ 平衡 ） 。比例（金伯利進程） ，積分（安） ，和驅(qū)動（科威特第納爾）常數(shù)的定義是在開始的代碼。值得注意的是，三角洲噸的價值觀，在PID控制方程的吸收到這些常數(shù)。在PID控制（ ）函數(shù)，誤差的

42、角度看，是計算方式的差異傳感器價值和內(nèi)部傳感器價值。在重啟該計劃， 傳感器初始化向內(nèi)部傳感器的價值和不斷更新通過外部中斷從編碼器。這個錯誤，可以正面或負面的價值，然后用來計算比例 ，積分，和衍生產(chǎn)品的條款。變數(shù)投浮動，為這些計算，因為常數(shù)可十進制的價值觀。這三個條款是補充說，跡象的總和確定的方向，然后其絕對值是采取。這個新的計算值是速度，汽車，或％的免稅周期的PWM信號。這個值是檢查對電力最大變數(shù)，是改變它的價值如果超過該值。這是為了確

43、保免稅周期的PWM信號從來沒有超過預(yù)定的閾值（最多100 ％ ） 。新的計算值，然后轉(zhuǎn)嫁到電力控制() 。 </p><p>　　流動的代碼是在圖5 。在為了防止汽車行駛在高速在一個方向時，鐘擺完全下降到一方，安全性的功能（ 安全檢測（ ） ）實施，在每年年底的PID的計算周期。該安全檢測功能有兩個安全檢查功能。第一功能檢查的角度看，鐘擺傾斜（ 傳感器 ） ，如果超過大約40度，從參考點，那么我們假設(shè)車沒有機會

44、平衡鐘擺再次站和汽車的運作。第二個特征檢查，如果車的舉動上述預(yù)定的速度（安全速度）在一方向，在一段時間內(nèi)（ 安全監(jiān)控器） 。這部分的安全功能，是要確保安全，并不完全依賴于角度讀的鐘擺從編碼器。鐘擺可以初始化在任何角度，使汽車可以經(jīng)營高速即使單片機沒有注冊的角度來看，鐘擺有下降到一方。 </p><p>　　結(jié)果設(shè)計的PID常數(shù)的測定通過系統(tǒng)的試驗和錯誤。最初，積分和衍生產(chǎn)品的條款被設(shè)為零和的比例來說，是逐步增加，

45、直到系統(tǒng)到不穩(wěn)定的。一旦我們知道的最高比例來說，我們說，衍生金融工具來說，順利的振動車。整體來說，仍然維持在零，因為振蕩所帶來的積分，任期造成平衡器表現(xiàn)不佳。 </p><p>　　我們運行平衡器，由出發(fā)與鐘擺平衡。設(shè)置所有的初始條件為零，允許編碼器初始化后復(fù)位并創(chuàng)建一個參考角度。輕踏向上方的不穩(wěn)定鐘擺是所有這一切都是需要啟動平衡的過程。該平衡器，迅速調(diào)整自己，以收回錯誤的角度。鐘擺成功完成5-7復(fù)蘇時期的平均之

46、前，電動機/車的特點抑制快速反應(yīng)需要收回的角度來看。初步證明，平衡的問題，倒立擺的平衡是可以解決的，但我國機械的限制，即窮人的電動機/汽車性能（齒輪火車延誤和軟車輪的延誤，與樓，造成了延誤，該系統(tǒng)如下圖所示） ，讓我們從最終的壯舉無限的平衡。</p><p>　　只要有一個堅持以安裝程序，任何人都可以經(jīng)營倒立擺的平衡器。程序如下： </p><p>　　1 ）連接5V和12V電源線，以正確

47、的插針，電路板。 </p><p>　　2 ）與兩間電力供應(yīng)富裕，平衡擺在車內(nèi)。 </p><p>　　3 ）打開該12V電源，以功率電動機。 </p><p>　　4 ）打開該5V的供應(yīng)，讓初始化編碼器。 </p><p>　　5 ）輕輕塔頂部的鐘擺在任何方向。 </p><p>　　看到一個視頻的倒立擺的平衡8秒

48、</p><p>　　該裝置將不加干預(yù)與任何其它設(shè)備在房間內(nèi)。只有高頻率的設(shè)備，董事會是16兆赫的晶體，其領(lǐng)導(dǎo)都很短，與電容器至地面，為使所有的噪音極小。該RF電路的鋼筋混凝土車是殘疾人士，以便不干擾別人的電路，更遑論我們自己。最后， PWM信號是，在如此低的頻率（ 208.3赫茲） ，并通過屏蔽電纜等，它不會輻射干擾別人的電路。注意：這些頻率是不一樣的那些被轉(zhuǎn)交由學(xué)生與RF項目。這幾乎可以確保無干擾的項目之間。

49、 </p><p>　　金屬棒用來作為一個鐘擺可以創(chuàng)建一個危險的情況時，放置在移動的車輛中。因此，我們要求所有的觀察員尊重一個10 '安全區(qū)。此外，在軟件安全性的特點是實施申請休息，以汽車旅行，如果在一個方向以上的2秒沒有改變方向，或如果MCU的進程，鐘擺已下跌了超過40度。 </p><p>　　什么我們會做不同的下一次</p><p>　　假設(shè)預(yù)算約束

50、，是不會刪除，我們會選擇我們的賽車更仔細，和基地的決定，不僅回應(yīng)，但也對機械設(shè)計和穩(wěn)定（搖擺，暫停等） 。鐘擺將得到加強，這種運動會受到限制向垂直面，沒有旋轉(zhuǎn)運動在鐘擺，從而導(dǎo)致過剩的壓力，編碼和可能的錯誤的傳感器讀數(shù)。 </p><p>　　我們的整個設(shè)計過程中圍繞著什么，我們學(xué)會了在mae478 。在接近年底時該學(xué)期（和項目結(jié)束時） ，反饋的過程中開始從系統(tǒng)的分析，以控制器的設(shè)計與系統(tǒng)建模。采用的技術(shù)，我們學(xué)

51、會了在接近年底時的學(xué)期在初步設(shè)計階段（在中東的學(xué)期） ，將有一定創(chuàng)造了更強有力的和精確的控制。能力模型的機械系統(tǒng)，使用灰盒分析（而不是黑箱分析） ，以及適用于預(yù)示著陰謀，并根軌跡設(shè)計創(chuàng)造的主導(dǎo)極點和零點使系統(tǒng)執(zhí)行的方式，我們希望它也將有為更符合設(shè)計過程中，更多的知識，兩國之間的課程可集成。最后，噪音問題是拖出約四天，而我們試圖一蹴即我們原來的董事會。一分鐘這個問題的觀察和噪聲對地面線來看，與示波器（顯示非常高的噪聲峰值1 V左右，在振幅

52、） ，新董事會成員的設(shè)計（與孤立的MCU和汽車電路） ，應(yīng)已通過。這將給予我們更多時間來微調(diào)PID控制器和可能，理順了一些機械的瓶頸阻礙我們從較長的平衡時間。 </p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　整個項目，我們的一個憂慮是，汽車/汽車的應(yīng)是不夠好，為我們的理想的任務(wù)，這是在事實屬實。汽車無法平衡擺下去。延誤，原產(chǎn)于都齒輪火車和軟的輪胎（在接

53、觸地板） ，會造成延誤，我們的系統(tǒng)，最終將它不穩(wěn)定。延誤作出不可能車趕上來，即使它的速度計算是正確的。不過，雖然我們無法平衡擺下去，有限的平衡，取得我們的主要目標，這是為了平衡擺。數(shù)額的時間，我們的平衡是出于我們一方面與我們目前的財政預(yù)算案，但原型清楚地表明，該項目可以做的，盡管與質(zhì)量部分。我們有信心通過使用我們的電路和邏輯有更健全的機械安裝和明顯調(diào)整PID參數(shù)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)最終的壯舉無限期的平衡。 </p><p

54、>　　所有方面的設(shè)計我們自己。當(dāng)然，思想都是從mae478的反饋控制實驗室，但是他們沒有執(zhí)行，在同樣的方式。此外，我們也要求外界的幫助，從人與機械工程背景，在我們的汽車/擺設(shè)計。該守則的執(zhí)行情況和電路的設(shè)計是我們自己。我們沒有時間，不過，為了編造的立場，獨立的董事會。因為我們需要一個原型，無論如何，性能董事會電路作了經(jīng)過無數(shù)小時的焊接和調(diào)試兩個不同的電路（單與雙電源供應(yīng)器） ，我們決定時間將可更好地分配在微調(diào)PID控制器，而不是比

55、編造一個董事會。 </p><p>　　盡管在短期內(nèi)的?一個月和力學(xué)所遇到的障礙，我們相當(dāng)高興的數(shù)額完成。該項目是一個持續(xù)的學(xué)習(xí)過程和結(jié)果，以其中一個最有價值的經(jīng)驗，在康奈爾大學(xué)。 </p><p><b>　　附錄B</b></p><p>　　Inverted Pendulum Balancer</p><p>　　

56、Introduction</p><p>　　The goal of this project was to build and implement an inverted pendulum balancer, in the vertical two dimensional plane, using Proportional-Integral-Derivative (PID) feedback control.&

57、lt;/p><p>　　The inverted pendulum balancer is a radio controlled car modified by adding a plexiglass platform and an inverted pendulum with free rotating pivot. The electrical component of the balancer brings t

58、ogether computational hardware (Atmel Mega32 microcontroller), an input angle sensor (US Digital Optical Shaft Encoder), and an output motor driver (National Semiconductor LMD18200 H-Bridge) onto a single board whose sol

59、e purpose is to autonomously control the motion of the car in order to keep the pe</p><p>　　Motivated by the School of Mechanical & Aerospace Engineering’s Feedback Control Systems course at Cornell Univ

60、ersity, our desire was to integrate the knowledge of stabilizing an unstable system using feedback control (MAE478), the fast, flexible computing power of microcontrollers (ECE476), and the use of real-world engineering

61、tools and budgetary constraints imposed on us by project managers. The result was a simple, cheap, and fun device that completed our desired goal. </p><p>　　High Level Design</p><p>　　Our m

62、otivation originated from Feedback Control Systems (MAE478), a course that we are both currently enrolled in. We wanted to attempt at a project where we could implement a feedback controller with a microcontroller. The q

63、uestion was what to control. After doing some research, we found a Stanford University EE281 project by Geoffrey Bainbridge. This "Self-Balancing Robot" project attempted to design a one-legged robot which bala

64、nces itself using a feedback control with Atmel Mega163 microcont</p><p>　　The basic structure of the feedback control system is shown below. The angle sensor reading is subtracted from the reference angle t

65、o produce the error. This error is used to calculate the motor control parameters using the PID algorithm (discussed below). The motor control is then sent to the device. We decided to keep our feedback control system SI

66、SO (single-input single-output) instead of MIMO (multi-input multi-output) for simplicity to help with our black-box modeling. The reference angle i</p><p>　　Our limited mechanical engineering ability, along

67、 with the short timeframe to complete the project, favored the use of a prefabricated car. A four-wheeled vehicle would not experience the rotational motion that Bainbridge encountered in his project. RadioShack’s extens

68、ive selection of toy Radio Controlled cars made our selection process very easy. Once a stable vehicle with fast response characteristics was discovered and modified to hold an inverted pendulum, the search turned to fin

69、ding a reli</p><p>　　The Atmel Mega32 microcontroller was used instead of the Mega163 due to its superior speed, for external interrupt sampling of the encoder data, and more versatile timer options. Initial

70、 black-box testing of the car’s DC motor capabilities gave us a good idea of the car’s performance. Different driving scenarios were observed, including single-direction driving and oscillatory motion. Upon finishing mot

71、or control, we moved on to testing the sensor. The optical encoder’s input signals were quickl</p><p>　　The final design stage was the Proportional-Integral-Derivative (PID) Controller to relate angle error

72、to motor velocity and direction (see equation below). The proportional term (A) applied a voltage to the motor proportional to the error. This value affected the cart’s response time; higher the proportional term, the fa

73、ster the car’s response at the expense of system stability. The integral term (B) would correct any steady-state error that would occur due to any sluggish response by the motor</p><p>　　Program & Hardwa

74、re Design</p><p>　　Hardware Deisgn - The hardware required for the inverted pendulum balancer can easily be separated into 2 subsystems: Mechanical and Electrical.</p><p>　　Mechanical:</p>

75、<p>　　Our first priority was to quickly acquire a device capable of forward and reverse motion, with quick transitions and fast acceleration. Lacking the knowledge of mechanical cart design and the ability to gear

76、 a motor correctly for sufficient torque to move the cart, we quickly adopted the idea of using a radio controlled car as our base. After testing various RC cars from RadioShack, we found a car that seemed to have the pe

77、rformance we required, along with a sturdy base which would easily allow </p><p>　　The vehicle’s DC motor was located in an easily accessible location at the rear underside of the car. Six AA batteries were

78、the manufacturer’s defined power source; therefore, we knew our power supply would have to supply at least 9 volts. The six AA’s were installed with a break in the last contact of the battery holder and an ammeter (DVM s

79、et to measure current) in series to measure the current drawn by the device. With the car not under load (i.e. not on the floor with the wheels in the air),</p><p>　　Upon choosing our device, our next task w

80、as to build an inverted pendulum on the car. A Plexiglas plate was used to create a platform on which to attach the pendulum (see Image 9 ). This plate was secured to the car with 4 bolts at each corner of the vehicle. A

81、t the center of the platform, two brackets were placed with their inside angles touching each other, connected by a ¼” screw, and used to create the pivot of the pendulum (see Figure 3). Finally, a 38” rod (3/8” dia

82、meter) was screwed into </p><p>　　With the pendulum sitting on the top bracket, and the screw acting as a pivot, our next task was to be able to detect the angle and direction of the pendulum’s tilt. Our fir

83、st option was a MEMS accelerometer from Analog Devices, ADXL202E. However, initial tests proved that the accelerometer’s analog signal would not provide us with the resolution that we required for angle detection. The di

84、gital output of the leadless, surface mount ADXL202E was disabled with the PCB that we used to mount it. Th</p><p>　　Rather than using the encoder’s shaft as the pivot, we decided to use an approach that wou

85、ld put the least amount of stress on the delicate piece of equipment. The encoder was placed in parallel with the pendulum’s bracket. The height of the encoder’s shaft was aligned with the pivot, effectively creating an

86、imaginary line from the pivot to the encoder’s shaft. Finally, a pin was attached to the shaft of the encoder, with plastic tie-wraps, and connected to the pendulum’s bracket. The bracket ha</p><p>　　Electri

87、cal:</p><p>　　Once the unstable pendulum was assembled and mounted on the car, an electrical circuit had to be designed to accept information from the optical encoder, process the information, and then contr

88、ol the vehicle in forward and reverse motion. We did not need any radio control circuitry or turning capabilities for our design; therefore, the car’s motor lines were separated from the rest of the manufacturer’s circui

89、try by clipping the wires leading to the motor. Applying a potential to the motor leads</p><p>　　Rather than physically implementing each switch as a transistor, the National Semiconductor LMD18200T H-Bridge

90、 was used. This convenient, 11-pin package accepts up to 55V supply voltage and can deliver up to 3A of output current. The device contains the 4-switch setup required for our motor control, along with protection diodes

91、and circuitry to ensure there is never a short from the supply to ground. Upon connecting the supply (pin 6) and ground (pin 7), only 3 inputs control the operation of th</p><p>　　Once the hardware to drive

92、the motor was identified, we moved to creating a stand-alone board such that all controls would be on the vehicle. Using a 6” x 2-1/16” Perf Board, we began laying out the necessary components for the Atmel Mega32 microc

93、ontroller to run without the STK-500 development board. Our initial board used a single 12V supply to provide power to both the MCU and the motor. A Texas Instrument UA7805CKCS voltage regulator was used to bring a regul

94、ated 5V to the MCU. A 0.1 µF capa</p><p>　　Adding the optical encoder to the circuit was the final step in the hardware required to balance the pendulum. Output channels A and B from the encoder (pins 3

95、 and 5 respectively) were used to trigger external interrupts on PORTD.2, D.3 respectively. The encoder was connected to the circuit using a 1x5-pin header, which delivered +5V, ground, and Channels A and B lines from th

96、e MCU to the encoder. (See Figure 2, J4) Turning on the power seemed the only thing stopping our circuitry at this point.</p><p>　　Once our software was ready to be tested, problems with the hardware surface

97、d almost immediately; the most drastic being noise issues orignating from the motor. Since only one power supply was used (12V to the motor and regulated to 5V for the MCU), noise created when the motor would change dire

98、ctions would travel down the ground line and reset the MCU, which had an absolute maximum rating of 200mA DC current on Vcc and ground pins. Physically separating the ground lines (but all leading to the </p><

99、p>　　To completely isolate the motor circuitry, which only consists of the H-Bridge, from the MCU, three 4N35 opto-isolators are used to detach the three MCU lines (break, PWM, and direction) from their H-Bridge counte

100、rparts. This device uses an infared diode to turn a phototransistor on and off. When current passes through the diode, the transistor is essentially a closed switch, shorting to ground in our application. When the photod