开题报告参考(单片机).doc

毕业设计/论文

开 题 报 告

课 题 名 称 基于小车的倒立摆控制系统设计

（软件设计）

院　 系 机电与自动化学院

专 业 班 自动化1003班　

姓　 名　

评 分

指 导 教 师 李 静

华中科技大学武昌分

毕业设计开题报告撰写要求
1. 开题报告主要内容
1）课题设计的目的和意义；
2）课题设计的主要内容；
3）设计方案；
4）实施计划。
5）主要参考文献：不少于5篇，其中外文文献不少于1篇。
2．撰写开题报告时，所选课题的课题名称也不得多于25个汉字，课题设计份量要适当， 设计中必须是自己的设计内容。
3. 开题报告的字数不少于2000字（艺术类专业不少于1000字），格式按《华中科技大学武昌分校本科毕业设计/论文撰写规范》的要求撰写。
4. 指导教师和责任单位必须审查签字。
5．开题报告单独装订，本附件为封面，后续表格请从网上下载并用A4纸打印后填写。
6. 此开题报告适用于全校各专业，部分特殊专业需要变更的，由所在系在基础上提出调整方案，报学校审批后执行。

华中科技大学武昌分校学生毕业设计开题报告
学 生 姓 名

学 号

专业班级
自动化1003班
系别
机电与自动化学院
指导教师

职称

课题名称
基于小车的倒立摆控制系统设计（软件部分）
1 课题设计的目的和意义
1.1 课题设计的目的
通过完成基于小车的单级直线倒立摆控制系统的设计，将自动化专业相关课程如控制理论、电力电子技术、单片机原理及应用、传感器与检测技术的理论知识融会贯通，掌握单片机控制系统的软件、硬件设计方法和基本的调试步骤等，学习系统工程设计方法，学会分析、解决简单的工程实际问题，为今后从事自动化专业相关的设计、研发等方面的工作打下一定基础。
1.2 课题设计的意义
倒立摆的控制方法在军工、航天、机器人领域和一般工业过程中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等均涉及到倒置问题，因此对倒立摆系统的研究在理论和方法论上均有着深远的意义。人们一直在试图寻找不同的控制方法来实现对倒立摆的控制，以便检查或说明该方法对严重非线性和绝对不稳定系统的控制能力。
倒立摆是理想的自动控制教学实验设备，它能全方位地满足自动控制教学的要求。许多抽象的控制概念如系统稳定性、可控性、系统收敛速度和系统抗干扰能力等，都可以通过倒立摆直观地表现出来。
2 课题设计的主要内容
（1）查阅大量参考文献，了解课题的背景和意义等相关方面，认真完成开题报告的撰写和课题相关的外文文献翻译。
（2）熟悉倒立摆系统的基本特点及数学建模。
（3）熟练掌握单片机的基本编程语言和硬件设计方法。
（4）设计系统总体方案，对元器件等进行合理选型。
（5）根据控制功能完成系统硬件设计和加工，结合软件程序进行调试。
（6）总结本课题设计过程中的经验，结合设计实践，编写完整的设计论文。

3 设计方案
3.1 设计模型
初步设计模型如图3-1所示：

图3-1 设计模型
该倒立摆以小车车轮为支点，以车体作为摆杆，通过车轮的前后运动使整体保持平衡。
3.2 系统硬件设计
系统硬件组成如图3-2所示：

图3-2 系统硬件组成
CPU的选型：
考虑到系统需要进行较为复杂的运算，CPU的选用嵌入式处理器STM32F103。STM32F103最高频率72MHZ，运算速度快效率高，方便系统对速度传感器的计数脉冲进行快速的处理。STM32F103具有丰富的通用I/O端口，内置I2C总线和正交解码等接

口，方便编程，同时很低的功耗。
角度检测的实现：
角度检测包含两个部分：角速度检测和加速度检测。角度检测是检测倒立摆的倾斜变化率和加速度并将实时数据传送给单片机进行数据融合。传感器采用MPU6050。　　　整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间
差的问题，减少了大量的包装和空间。
速度检测的实现：
速度检测是测量电机实际转速并将所测值反馈给单片机。选用的是光电码盘测量电机转速，其中光电码盘的线数是334P/r。光电码盘与电机同轴，通过计单位时间内的脉冲个数运算得出转速，测量方法有M法、T法以及MT法。单片机和光电码盘之间需要使用光耦合隔离电路。光耦合隔离电路采用6N137。该光耦具有很快的转换速率。
电机驱动的实现：
电机驱动模块是根据单片机给出的控制指令，控制电机的正、反转，加、减速。驱动模块选用芯片BTN7971B，一个BTN7971B是一个半桥，两片结合在一起构成一个完整的H桥，能够很好的驱动一台电机。BTN7971B具有驱动功率大，能承受较大电流，能很好的满足系统的需要。
电源的实现：
STM32F103系统电压为3.3V，电机输入电压范围6-12V，编码器和光耦合隔离电路供电电压为5V。采用11V的电池给系统供电，通过稳压电路得到所需要的电压。使用芯片AMS1117输出3.3V电压，7809输出9V电压，7805输出5V电压。
电机的选择：
考虑到实际操作时需要的输出扭矩和输出转速，电机选择的是ASLONG JGA25—371型号减速电机，其中减速比为1:34，最高转速126r/min。

3.3 系统软件设计
初始化完成后，首先任务调度程序。等待调度的程序包括加速度计陀螺仪数据融合程序，车模直立控制程序和速度控制程序。然后检查车模是否跌倒。跌倒判断可以通过车模倾角是否超过一定范围进行确定。一定车模跌倒，则停止车模运行。然后重新进入任务调度。系统主程序框架如图3-3所示：
系统上电

系统初始化

任务调度
停止

判断倾角是否〉15度

否
是

图3-3 主程序框架
任务的调度是通过系统的嘀嗒定时器中断来实现的。中断控制节拍为1ms。其中传感器数据融合采计算周期为5ms，车模直立控制周期为5ms，车模速度控制周期为100ms。嘀嗒定时器中断依次让不同的任务按不同的节拍就绪，并且任务调度会按一定的优先级执行就绪任务，从而实现一个简单的多任务系统，提高CPU的利用率。
传感器数据融合的实现：
陀螺仪的直接输出值是相对灵敏轴的角速率，角速率对时间积分即可得到围绕灵敏轴旋转过的角度值。由于系统采用微控制器循环采样程序获取陀螺仪角速率信息，即每隔一段很短的时间采样一次，所以采用累加的方法实现积分的功能来计算角度值。加速度计输出的是线性加速度，通过三角函数关系可以确定倾斜角度。
然而陀螺仪会产成漂移误差。而无论多么小的常值漂移通过积分都会得到无限大的角度误差；加速度计动态响应慢，不适合跟踪动态角度运动。使用互补滤波进行数据融合。对于加速度计，需要采用低通滤波算法除去短时性快速变化的信号，保留长时性
缓慢变化的信号；对于陀螺仪，应用高通滤波方法处理陀螺仪数据，来抑制陀螺仪积

分的漂移 。
车模直立控制程序的实现：
直立控制是将获取的角度值转化为电机控制的输出量。将车模角度和角速度乘以各自相应的系数就可以得到直立控制输出量。
车模速度控制程序的实现：
通过编码器测定当前脉冲数值，再根据需要运行的情况，通过M法，T法，或M/T法计算出车模速度，最后通过PID算法调节速度。PID算法中可以根据情况分离或添加积分算法。
系统中断程序框架如图3-4所示：
进入中断

传感器数据融合

平衡控制

速度控制

退出中断

图3-4 中断程序框架
4 实施计划
第七学期：
（1） 第19周至第20周：查阅相关文献资料，翻译外文资料，撰写开题报告。
第八学期：
（2） 第1周至第2周：继续查阅相关文献资料，修改翻译外文翻译，完善开题
报告。
（3） 第2周：开题答辩。
（4） 第3周至第9周：进行课题的理论研究，论证并确定设计方案，软硬件设计，实验测试，完成硬件电路与软件程序综合设计，完善系统结构。
（5） 第10周至第12周：撰写设计论文，并完成论文初稿。
（6） 第13周至第14周：检查修改完善论文初稿，并定稿。
（7） 第15周：毕业设计评审及论文答辩，完成全部毕业设计任务。
5 主要参考文献
[1] 李群芳，张士军，黄建．单片微型计算机与接口技术．北京：电子工业出版社，2010．
[2] 王迎旭．单片机原理及应用．北京：电子工业出版社，2010．
[3] 程鹏．自动控制原理．北京：高等教育出版社，2010．
[4] 郁有文．传感器原理及工程应用．西安：西安电子科技大学出版社，2008．
[5] 童诗白，华成英．模拟电子技术基础．北京：高等教育出版社，2006．
[6] Paul Horowitz，Winfield Hill．The Art of Electronics Second Edition．Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2004．

指导教师意见

指导教师签字：
年 月 日

答辩小组意见：

组长签字：
年 月 日
教研室审查意见：

负责人签字：
年 月 日
院系审查意见：

院系负责人签字：
（公 章）
年 月 日
（此表由学生填写，指导教师、教研室、院系签署意见）