小车倒立摆 - 嘉立创EDA开源硬件平台

  倒立摆系统的研究是一个融合多个学科的综合性问题，它结合了智能机器人技术、控制理论和计算机等相关方面的知识，同时它也是验证各种控制策略有效性的经典实验平台，尤其是在工程实践应用中，做好倒立摆控制算法的研究，可以解决很多类似倒立摆模型的实际问题。本课题针对小车倒立摆摆杆的倾角和小车速度的镇定问题设计了一种串级PID控制器，仿真实验及实物实验验证控制算法的有效性。

  通过设定器件的物理参数，利用Simscape仿真器建立小车倒立摆的物理模型。运用串级PID作为控制方法，对小车倒立摆系统进行物理仿真，并分析仿真结果。采用牛顿-欧拉法对小车倒立摆进行数学建模，得出小车倒立摆的传递函数与状态空间方程。同时使用拉格朗日法验证已建立好的数学模型，并分析两种建模方法的优缺点。对小车电机进行建模，建模过程力求贴近实际的物理系统。分析PID控制算法的数学表达式，受到角度与速度控制的启发，设计出一种串级PID的控制方法并使用Matlab软件下的Simulink对所设计的控制算法进行验证。

  完成理论部分后开始着手搭建实际模型，使用STM32单片机作为系统的控制芯片，WDD35D4作为角度传感器，两个直流电机作为动力单元，使用编码器实时测量电机转速。控制器接收到输入的角度与速度信号，输出PWM信号，通过电机驱动模块调整电机转速，保证系统平衡。使用锂电池提供电源，通过降压模块将锂电池电压转换成传感器与控制器要求的电压信号。使用蓝牙模块和上位机设备建立无线通讯，可在上位机查看系统的运行情况以及改变控制参数的数值。使用嘉立创软件对系统硬件进行原理图与PCB的布局与设计。软件上则运用C语言作为逻辑功能开发语言，使用Keil5对软件进行编程，利用ST-Link烧写程序。将系统组装完成后上电运行，通过蓝牙模块对系统进行控制参数的调整和优化，最终实现让小车倒立摆系统平衡运行的目标。

做这个小车倒立摆项目感触很深，将理论知识转化为实际的项目是一件很难的事情。大学学习的专业课基本都用上了，果然大学学习的知识还是比较有用的。感兴趣的可以阅读一下我的论文。若有错误欢迎指正。