基于ARM單片機的智能旋轉倒立擺系統設計

　　2.2.2 旋轉臂動力模塊方案比較

　　方案一：采用自己搭建的雙H橋電機驅動電路驅動電機，此種方案放棄采用現成的驅動芯片，自己設計驅動電路。由于本系統要求電機驅動部分穩定工作，經多次試驗證明，自己設計的驅動電路仿真實驗還可以，但實際應用中還是不穩定。

　　方案二：采用ULN2003A芯片驅動電機。ULN2003A由7個NPN達林頓管組成，但要驅動電機需要的外部電路比L298N復雜。

　　方案三：采用L298N電機驅動芯片驅動電機。此芯片實現的四種電機狀態已經完全滿足題目要求，且四種狀態控制簡單，故在本系統中采用此方案。

　　2.2.3 倒立擺角度測量模塊方案比較

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

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

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

　　2.3 擺桿狀態檢測模塊詳細設計與分析

　　通過將導電塑料電位器安裝在旋轉臂的一端，旋轉臂旋轉帶動導電塑料電位器進行計數，將導電塑料電位器計數值輸給單片機，然后實現控制。利用編碼器測量電機轉速，從而實現對電機速度的控制。

　　擺動公式：
    

　　constA——控制角度常量

　　3 機械與硬件系統設計

　　3.1 機械部件設計

　　旋轉倒立擺系統主要由旋轉臂、倒立擺、支架、主控電路、伺服電機以及電位器等組成。本設計要求倒立擺的穩定性、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，保證結構的穩定性，以合金材料做旋轉臂，將直流電機固定在支架上，通過轉軸與旋轉臂連接，帶動旋轉臂旋轉，保證控制的精確性和快速性。編碼器與旋轉臂固連，伺服電機產生的驅動力使旋轉臂根據擺桿角度的變化而旋轉，使擺桿能擺動并實現各種功能。將擺桿與電位器通過聯軸器相連，用電位器旋轉的次數檢測擺桿的狀態，擺桿擺動的角度大小與電位器旋轉的次數有一個對應的關系。由于WDY35D-4電位器理論電氣轉角:345°±2°,存在一定測量盲區，所以在安裝前需要測定盲區位置，將盲區位置對應到以自然下垂狀態(擺角0°)為起始的270°至300°位置間，因為在此區間內不需要測量特定數據，擺桿可依靠慣性完成剩余圓周運動。在通過電位器采集倒立擺的角度信號輸給單片機，編碼器采集旋轉臂的速度信號輸給單片機，單片機控制電機驅動，使倒立擺能夠順利完成任務。安裝如圖3所示。

　　3.2 主控模塊硬件電路詳細設計

　　考慮到單片機控制精度、穩定性，以及擴展方便與否等方面的特點，我們做的旋轉倒立擺系統采用野火Kinetis核心板加上自主設計的主控板進行控制。如圖4所示。