论文总字数：19531字

摘 要

倒立摆作为一种具有不稳定、多变量、非线性、强耦合特点的控制理论经典模型，其实际结构又只需一个电机，一个摆杆、一个角度传感器和相关连接件即可搭建。正是由于倒立摆兼顾理论研究的复杂性和低廉的经济成本这两大原因，使得这一装置成为教学实验的不二之选。本设计以STM32为主控制器，以电位器作为角度传感器，以TB6612作为电机驱动，通过PID算法进行调节控制来搭建一个旋转倒立摆实验装置。使用上述方案搭建的旋转倒立摆实验装置可以实现倒立摆的自起摆和稳摆，并且具有一定的抗扰动性。

关键词：旋转倒立摆；STM32；PID；角度传感器；直流电机

Design of the Experimental Device of Rotary Inverted Pendulum Based on STM32

Abstract

As a classical model of control theory with unstable, multi-variable, nonlinear and strong coupling characteristics, the actual structure of inverted pendulum can be constructed by only one motor, one pendulum rod, one angle sensor and related connecting parts. It is precisely because the inverted pendulum takes into account the complexity of theoretical research and the low economic cost of these two reasons, so that this device has become the ideal choice for teaching experiments. This design takes STM32 as the main controller, the potentiometer as the angle sensor, the TB6612 as the motor drive, through the PID algorithm to adjust the control to build a rotating inverted pendulum experimental device. The rotating inverted pendulum experimental device constructed by using the above scheme can realize the self-pendulum and steady pendulum of the inverted pendulum, and has certain anti-disturbance resistance.

Key word：Rotary Inverted Pendulum，STM32，PID，Angle Sensor，DC motor

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1选题背景与意义 1

1.2倒立摆发展的现状 1

1.3国内外倒立摆系统研究状况 1

1.4倒立摆的控制方法 2

1.5本文综述 2

第二章 系统总体结构及设计 3

2.1 系统设计要求 3

2.2 系统总体设计 3

2.3实施方案论证 4

2.3.1设计方案论证 4

2.3.2工作流程论证 4

第三章数学模型的建立与分析 5

3.1 概述 5

3.2 旋转倒立摆的物理模型分析 5

3.3旋转倒立摆的系统建模 5

第四章 旋转倒立摆的硬件设计 8

4.1电源部分 8

4.1.1 5v供电电路 8

4.1.2 3.3V供电电路 9

4.2 电机驱动部分 9

4.3 电机速度采集部分 10

4.4 摆杆角度采集部分 10

4.5 主控部分 11

4.6 按键及OLED 12

第五章 旋转倒立摆的软件设计 13

5.1 软件架构 13

5.2 主要函数及实现 14

5.2.1主函数 14

5.2.2 function函数 15

5.2.3 menu函数 16

5.2.4 各中断操作流程图 16

5.4 控制算法的实现 17

5.4.1倒立摆控制的经典算法 17

5.4.2 PID原理及实现 18

5.4.3 PID算法的选择 18

5.4.4 PID算法相关函数的说明 19

第六章 PCB设计、软硬件调试 21

6.1 PCB设计 21

6.2 软硬件调试 21

6.2.1软件调试 21

6.2.2硬件调试 22

第七章 结语 23

参考文献 24

附录 25

第一章 引言

对于毕业设计这样的一个对于大学四年学习成果具有总结意义的工作来讲，应当在选题时尽量多的涵盖四年多学知识，再加之我的大学四年时间内通过参加全国大学生智能车竞赛、江苏省大学生物理创新作品竞赛和大创项目等等专业竞赛积累了一些设计经验，所以我选择了将旋转倒立摆实验装置设计作为我的毕业设计选题。下面我将从选题的背景与意义讲起，详细的讲述倒立摆发展的现状、国内外倒立摆系统研究状况、倒立摆的控制方法这三个方面的内容。

1.1选题背景与意义

对于本科专业毕业生，倒立摆实验装置涵盖了本科阶段本专业所学到的自动控制原理，嵌入式系统设计，数字电路，模拟电路，电机拖动等大部分专业知识。就倒立摆系统而言，其作为一个控制理论研究的经典模型，其本身具有高阶次、不稳定、多变量、强耦合等特点，同时这一系统也具有结构简单，搭建方便这样的经济性和便捷性，从上述可知，倒立摆其实是一种既有控制难度而又成本低廉的控制方法实验平台。而且，近几年来，随着科学技术的发展，倒立摆控制技术的研究成果也直接应用在了火箭回收，卫星姿态控制，仿生机器人等热门领域。我相信，随着生产力和科学技术的进一步发展，机器人尤其是双足机器人这样的仿生机器将逐渐走进人们的生活。所以说，倒立摆研究是具有广泛的科学意义和社会价值的。

1.2倒立摆发展的现状

在全球范围内，倒立摆控制算法的研究主要集中在亚洲的高校和研究机构，如国内的北师大，大连理工，北航，天津理工大学，日本的的冈山全州大学、韩国的忠南国立大学等。倒立摆的研究最早是从20世纪五十年代美国麻省理工大学开始，他们为了研究火箭控制技术，将火箭发射助推器原理模型简化为了单级倒立摆装置。倒立摆的研究可以分为起摆和稳摆两个方面。下面就倒立摆系统研究的国内发展状况做一个介绍，

1.3国内外倒立摆系统研究状况

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