摘要：此平衡杆小车能维持杆平衡，并实现小车稳定在小范围内、前往指定目标区域、绕圈等运动模式。小车倒立摆顶端能在冲量小于
的撞击下重新恢复平衡。小车控制芯片采用STM32F103ZET6，传感器采用角度传感器（电位器），运动装置采用步进电机。倒立摆角度偏移量采用PID控制，位置偏移量采用PD控制，两者串联，最终实现倒立摆平衡、位置稳定。
关键词：单片机，运动控制，PID控制，倒立摆，串联PID
一、系统方案论证与比较
1.方案一
采用直流电机，读取倒立摆角度偏差值，采用PD控制，读取当前速度，积分成位置，采用PD控制，两者并联控制。
优点：响应快，倒立摆稳定、位置稳定效果明显。
缺点：需要编码器做速度内环，容易出现震荡。
2.方案二
采用步进电机，读取倒立摆角度偏差值，采用PD控制，读取当前速度，积分成位置，采用PD控制，两者并联控制。
优点：响应快，步进电机可以省去速度内环。
缺点：电机正反转频繁，步进电机难以承受。
3.方案三
采用步进电机，读取倒立摆角度偏差值，采用PID控制，读取当前速度，积分成位置，采用PD控制，两者串联控制。
优点：电机加速度较小，对电机的负载较小，控制相对简单。
缺点：调整响应慢，抗干扰性弱。
４.方案选择及论证
小组最终选用方案三，根据小组自生硬件构建和程序编辑能力，选择相对容易实现的方案进行制作。小组的相关调试经验较弱，希望比赛期间留出更多时间进行参数调试，达到性能的更优化。步进电机的加速度和速度都需要进行限幅，且相对直流电机需要做更大的限制，为保证题目目标，杆子选取质量较大。
二、理论分析与计算
1.理论分析
倒立摆的角度变化通过PID调整小车的速度变化，小车的位置变化通过PD调整倒立摆所要到的目标位置，形成串联控制模式，控制模式如下图2-1-1所示。
为平衡处角度AD值，
为系统外对角度的干扰对应的AD值，
为当前实际的角度所对应的AD值，
为速度控制得到的角度对应的AD值，
为角度PID控制器，
为速度位置积分限幅转换器，
为位置PD控制器。
2.参数设置
参数采用临界比例度法整定，角度PID控制器的参数分别为：
位置PD控制器参数分别为：
三、电路与程序设计
1.电路原理图
图3-1-1 平衡杆车电路原理图
2.单片机
单片机采用一片STM32F103ZET6。由5V稳压直流电源供电。STM32F10x的学习资料相对齐全，且性能良好稳定，可以很好的满足竞赛的需要，是作品的核心部件。
5.程序设计
系统程序使用Keil-MDK5嵌入式编程系统进行编程，所用编程语言为C语言，程序编辑完成后通过电脑USB接口和Stlink连接，再通过排线和单片机相连烧录程序。
程序流程如图3-5-1所示，程序初始化完成后等待按键信号，此时应该将杆子摆到平衡位置，按下按键后会初始化平衡位置的AD值，之后进入主循环，对读取到的数据进行串联PID计算，并修改车速使得杆子和小车位置均稳定在一定小范围内。
小车的控制主要依赖于步进电机为同步电机，在保证没有丢步和打滑的情况下小车的速度可以直接读取，为保证不丢步，角度PID的增量和总量都做了限幅。位置PD由于修改的是角度的目标值，为保证车辆不会失去调节范围，同样对位置PD进行了增量和总量限幅。
3.硬件机构
角度传感器采用精密导电塑料电位器，其阻值为5K、线性度为5%。
车辆底盘采用3mm厚6061铝板一体成型的设计方案，具有质量轻、强度高的优点。同时底盘预留Φ3安装孔位，便于快速安装各部件、减少金工加工工作量，实物图见图3-3-1。
车辆驱动电机电机采用57CM12X步进电机，保持转矩1.2NM、最高转速1000rpm，相关参数如图3-3-2所示。
步进电机驱动器采用TB6600,最大输出电流3.5A，相关实物图和参数如图3-3-2所示。
四、设计总结
本设计结构简洁，运行稳定，测量效果基本达到题目要求，相比于其他方案有更高的稳定性和容错率。
为保证稳定性，本设计牺牲了相应速度和抗干扰能力，并且对地面摩擦力以及杆重均有一定需求，可以继续改进。
