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4.5 驱动 20
5 机械设计 22
5.1 机械3D视图 22
5.2 轴承固定 23
5.3 机架平衡 23
6.1 测试方案 25
6.2 测试结果 25
6.3 测试分析 26
小 结 27
致 谢 28
参考资料 29
附件一： 30
附件二： 34
附件三： 38
1 绪论
1.1 课题的由来
杂技顶杆表演之所以为人们熟悉，不仅是其技术的精湛引人入胜，更重要的是其物理本质与控制系统的稳定性密切相关。它深刻揭示了自然界一种基本规律，即一个自然不稳定的被控制对象，通过控制手段可使之具有良好的稳定性。由此不难看出杂技演员顶杆表演的物理机制可简化为一个倒置的倒立摆装置，也就是人们常称的倒立摆或一级倒立摆系统。
早在上世纪60年代人们就开始了对倒立摆系统的研究。倒立摆作为一个典型的不稳定、严重非线性的例证，用来检验控制方法对不稳定、非线性和快速性系统的控制能力。而用不同的控制方法控制不同类型的倒立摆受到世界各国许多科学家的重视，成为目前具有挑战性的课题之一。
1.2 课题的研究现状
倒立摆的控制方法在军工、航天、机器人领域和一般工业过程中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等均涉及到倒置问题，因此对倒立摆系统的研究在理论和方法论上均有着深远的意义。倒立摆是典型的快速、多变量、非线性、绝对不稳定系统。早在20世纪50年代，麻省理工学院（MIT）的控制论专家就根据火箭发射助推器原理设计出一阶倒立摆实验设备，此后其控制方法和思路在军工、航天、机器人领域和一般工业过程中都有着广泛的用途，机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制、卫星发射架的稳定控制、飞机安全着陆、化工过程控制以及日常生活中所见的任何重心在上、支点在下的控制问题等，均涉及到倒立摆问题。事实上，人们一直在试图寻找不同的控制方法来实现对倒立摆的控制，以便检查或说明该方法对严重非线性和绝对不稳定系统的控制能力。
1.3 课题的意义
对倒立摆系统进行控制，其稳定效果非常明了，可以通过摆动角度、位移和稳定时间直接度量，控制好坏一目了然。理论是工程的先导，对倒立摆的研究不仅有其深刻的理论意义，还有重要的工程背景。从日常生活中见到的任何重心在上、支点在下的控制问题，到空间飞行器和各类伺服云台的稳定，都和倒立摆的控制有很大的相似性，故对其的稳定控制在实际中有很多用途，如海上钻井平台的稳定控制、卫星发射架的稳定控制、火箭姿态控制、飞机安全着陆，化工过程控制都属于这类问题。因此对倒立摆机理的研究具有重要的理论和实际意义，已成为控制理论中经久不衰的研究课题。
2 方案
2.1 课题难点
2.1.1 摆杆及旋臂的设计
旋转臂的驱动电机需要提供足够的转矩，有需要有够快的响应速度，选择旋臂的材料需要有一定的强度，但是不能过重，又要利于摆杆的灵活。
2.1.2 电路设计
本系统电路包括单片机芯片AVR mega328P最小系统、电源电路、电机驱动电路、键盘显示电路。
2.1.3 程序结构设计
（1）当系统上电后，LCD与LED点阵屏分别显示各自的开机界面，与此同时AVR mega328P对按键检测，选择工作状态，设定起摆，圆周运动，手动起摆，快速起摆。通过PID调节实现相应的功能。