1 簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及控制裝置及其功能要求

　　設(shè)計并制作一套簡易旋轉(zhuǎn)倒立擺及其控制裝置。旋轉(zhuǎn)倒立擺的結(jié)構(gòu)如圖1所示。電動機(jī)A固定在支架B上，通過轉(zhuǎn)軸F驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臂C旋轉(zhuǎn)。擺桿E通過轉(zhuǎn)軸D固定在旋轉(zhuǎn)臂C的一端，當(dāng)旋轉(zhuǎn)臂C在電動機(jī)A驅(qū)動下作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運動時，帶動擺桿E在垂直于旋轉(zhuǎn)臂C的平面作自由旋轉(zhuǎn)。

　　1.2 基本要求

　　(1)擺桿從處于自然下垂?fàn)顟B(tài)(擺角0°)開始，驅(qū)動電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)使擺桿擺動，并盡快使擺角達(dá)到或超過-60°~ +60°;

　　(2)從擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開始，盡快增大擺桿的擺動幅度，直至完成圓周運動;

　　(3)在擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)下，外力拉起擺桿至接近165°位置，外力撤除同時，啟動控制旋轉(zhuǎn)臂使擺桿保持倒立狀態(tài)時間不少5s;期間旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動角度不大于90°。

　　(4)從擺桿處于自然下垂?fàn)顟B(tài)開始，控制旋轉(zhuǎn)臂作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運動，盡快使 擺桿擺起倒立，保持倒立狀態(tài)時間不少10s;

　　(5)在擺桿保持倒立狀態(tài)下，施加干擾后擺桿能繼續(xù)保持倒立或2s內(nèi)恢復(fù)倒立狀態(tài);

　　(6)在擺桿保持倒立狀態(tài)的前提下，旋轉(zhuǎn)臂作圓周運動，并盡快使單方向轉(zhuǎn)過角度達(dá)到或超過360°;

　　2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計與理論分析

　　2.1 系統(tǒng)總體框圖

　　根據(jù)題目要求，經(jīng)過仔細(xì)分析，使旋轉(zhuǎn)臂在電機(jī)的驅(qū)動下往復(fù)旋轉(zhuǎn)運動時，倒立擺能夠完成擺動、旋轉(zhuǎn)、倒立以及倒立抗干擾等一系列要求。制定了如下總體設(shè)計框圖如圖2。

　　2.2 關(guān)鍵模塊方案比較與選定

　　2.2.1 主控模塊方案比較

　　方案一：采用AT89C52單片機(jī)，單片機(jī)原理簡單，成本低，為歷年競賽廣泛采用，但是其速度慢、存儲容量小，難以完成精準(zhǔn)的PWM算法。

　　方案二：采用Kinetis K60 Cortex ™-M4單片機(jī)，其控制精度等一系列性能指標(biāo)都較高，對于解決實時性較高的問題是很好的選擇，并且能夠方便地解決整個系統(tǒng)的問題，是個很好的控制方案，且符合一般性對單片機(jī)低功耗的要求。

　　方案三：采用MC9SXS128單片機(jī)，單片機(jī)需要較高的控制精度，價格合理，基本能夠?qū)崿F(xiàn)的PID控制等一系列功能。但是這款單片機(jī)主頻還是不算高，對于快速控制和運算方面仍然有些不足。

　　結(jié)合實際采用了方案二。