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：

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：

一阶旋转到倒立摆

手动起摆

自动起摆

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1000pos_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1000ang_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)

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