电赛练习之旋转倒立摆

2019年电赛已经结束，虽然结果不能令人满意，但闲下来，还是总结一下电赛学到的东西与失败的地方。这一次先来谈一下一阶旋转倒立摆。

一、题目分析：

拿到一道题目，其实最应该做的事情是分析题目，因为我们往往可以发现某些发挥题是在基础题的基础上进行的，但是，可能某些发挥题需要在基础题的基础上修改结构，我们也可以发现，题目中的某些问题具有相似性，当我们合并同类项的时候，可以把题目的要求变得简单。一下，我粘贴过来2013年一阶旋转倒立摆的题目以及要求：在这里插入图片描述我们很容易知道本题的核心是使得摆杆保持稳定，之后再其基础上进行一些功能的延伸。为了更好地理解题意，我做了如下的分析：

graph TD; 一阶旋转到倒立摆-->手动起摆; 一阶旋转到倒立摆-->自动起摆; 手动起摆-->摆杆的运动; 自动起摆-->摆杆的运动; 摆杆的运动-->电动机的控制;

可以看到，题目中所要求完成的就是通过对一个电机的控制来实现的，控制题的核心还是要落在控制上。历届电子设计大赛经常被人戏称为电子机械设计大赛，虽然控制题的核心是落在控制上，但系统的机械结构也至关重要。此次练习采用的是平衡小车之家的套件，所以省去了搭硬件的很多麻烦。单单就完成题目要求的功能来说，数值分析并不是很必要（强迫症或者冲击国奖者除外）。因此，本篇内容仅仅从代码的角度来进行分析。俗话说的好，不写注释的程序猿是流氓。我个人很喜欢在主函数的前面写上所用引脚的定义，这样一来方便接线，二来可以避免引脚重复使用，造成不必要的麻烦。

/************************************************
圆周倒立摆实验
ADC:PA1    Motor:PC0 PC1   Pwm:PB4 PB5
编码器A相：PB6  B相：PB7
按键:PA0 2 3 4 
      
					
					 @JackFu
************************************************/

先来谈一谈我程序的风格，一、在主函数里我将初始化的函数写在了Board_Init();这个函数里，这样看起来比较方便后期的更改与检查，减少了主函数的代码量，使得主函数看起来简洁、调理。

void Board_Init(void)
{
	delay_init();
	Adc_Init();
	KEY_Init();
	Ecoder_TIM4_Init(); 
	Motor_Init();
	Timer_pwm_Init(999,8);
//	Timer_Init_TIM5(4999,71);
//	TIM_SetCompare2(TIM3,800);
	uart_init(115200);
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
}

二、我一般习惯于建立两个文件夹：HARDWARE、CONTROL。其中前者用来存放于硬件相关的一些配置函数，后者用来放与软件相关的一些配置函数。这样方便后期的维护与移植。

对于其中用到的基本配置，如ADC，ENCODER，MOTOR等等，此处不再赘述。网上有很多的例程与讲解。该题的核心控制为电机，关键函数如下：

//电机调节函数    （控制电机倒立，很重要）
void Motor_Config(short pwm)
{
	int speed;
	if(start == 1)                         //开启倒立，调节倒立摆平衡
	{
		if(pwm<0 && pwm > -PWM_MAX)
		{
			speed = PWM_MAX + pwm;
			if(speed < 0)
			{
				speed = 0;
			}
			TIM_SetCompare2(TIM3,speed);
			Motor_reverse();
		}
		else if(pwm > 0 && pwm < PWM_MAX)
		{
			speed = PWM_MAX - pwm;
			if(speed > 400)
			{
				speed = 400;
			}
			TIM_SetCompare2(TIM3,speed);
			Motor_Forward();
		}
	}
	else                                   //电位器偏角过大，无法调节，为了安全，关闭电机
	{
		Motor_stop();
	}
}

传入的参数为电机ENCODER，电位器ADC采集值后经过PID处理的数据，具体的处理函数如下：

short PID_Pos_PosCalc(short NextPoint)
{
  register float  iError,dError;
	iError = pos_Set_Pos - NextPoint;        				// 偏差
	pos_SumError += iError*0.2;				    				// 积分
	if(pos_SumError > 1000.0)								//积分限幅1000
		pos_SumError = 1000.0;
	if(pos_SumError < -1000.0)
		pos_SumError = -1000.0;	
	dError = iError - pos_LastError; 						// 当前微分
	pos_LastError = iError;
	
	return(short)(pos_p * iError*0.8 + pos_i * pos_SumError + pos_d * dError);	//返回计算值
}


short PID_Ang_PosCalc(short NextPoint)
{
  register float  iError,dError;
	iError = ang_Set_Pos - NextPoint;        				// 偏差
	ang_SumError += iError;				    				// 积分
	if(ang_SumError > 1000.0)								//积分限幅1000
		ang_SumError = 1000.0;
	if(ang_SumError < -1000.0)
		ang_SumError = -1000.0;	
	dError = iError - ang_LastError; 						// 当前微分
	ang_LastError = iError;
	
	return(short)(ang_p * iError + ang_i * ang_SumError + ang_d * dError);	//返回计算值
}

void Task3(void)
{
	short temp,temp1,temp2;
	temp = 0;
	temp1 = ANG_MIN_VAL;										//角度最大值
	temp2 = ANG_MAX_VAL;										//角度最小值
	
	ang_Cur_Pos = Get_Adc_Average(ADC_Channel_1,15);			//获取当前角度
	
	
	ang_Set_Pos = ANG_MID_VAL;									//将平衡时位置角度应当采样的值赋给设定值
	
	if((ang_Cur_Pos > temp1)&&(ang_Cur_Pos<temp2))
	{
		temp += PID_Ang_PosCalc(ang_Cur_Pos);					//角度还在可以调整的范围内	
		start = 1;		
	}
	
	else
	{															//角度过大，调整不了，为了安全，关机
		start = 0;
	}
	
//	if(++Position_Target>5)
		pos_Cur_Pos = PID_Pos_PosCalc(Encoder),Position_Target=0;
	temp -= pos_Cur_Pos;
//	if(pos_Cur_Pos > 0 && flag == -1)
//	{
//		ANG_MID_VAL = ANG_MID_VAL-5;
//		flag = flag*(-1);
//	}
//	else if(pos_Cur_Pos < 0 && flag == 1)
//	{
//		ANG_MID_VAL = ANG_MID_VAL+5;
//		flag = flag*(-1);
//	}

	Motor_Config(temp);
	printf("%d    ",temp);
	printf("%d\r\n",Encoder);
}

该题的控制采用了双环的PID来进行处理，在进行学习的过程中发现，仅仅采用电位器环的PID可以使得摆杆倒立起来，但整个摆杆会整体顺时针或者逆时针的旋转，并不能满足题目要求。正如前面所述，在考虑机械结构时，要整体考虑，否则当做到这里时，发现需要用双环来进行控制，再改机械结构，会浪费很多的时间。

这里附上源码 (链接: Mycode（双环控制)

电赛练习之旋转倒立摆

一、题目分析：

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