基于STM32F405的旋转倒立摆能量反馈与LQR控制实现

标题"旋转倒立摆的起摆控制-jtt 697.2-2014 交通信息基础数据元 第2部分：公路信息基础数据元"探讨的是在信息技术背景下，如何通过电赛题目中的实际应用场景——简易旋转倒立摆的控制系统设计，来实现对倒立摆的精确起摆和稳定控制。这项技术涉及到的关键知识点包括： 1. 能量反馈控制原理：该控制策略基于能量守恒定律，通过监测倒立摆系统的能量，利用直流伺服电机改变摆杆的能量状态。当摆杆的能量达到特定阈值（摆杆倒立的能量）时，通过控制电机的扭矩调整，使摆杆顺利起摆。 2. 李雅普诺夫方法：这是一种用于稳定系统的方法，通过构造李雅普诺夫函数，分析系统的稳定性。在这个案例中，设计者使用了李雅普诺夫函数(公式12)来评估系统的稳定状态。 3. STM32F405单片机：作为控制核心，负责处理传感器数据，执行控制算法，并驱动电机。这种微控制器因其性能强大和灵活性被选为控制器组件。 4. 旋转臂与摆杆的连接：设计中将旋转臂与摆杆的连接点设为坐标原点，摆杆倒立时的能量为零，这有助于计算倒立摆系统的能量状态。 5. 电机选择：三种方案对比后，最终选择了直流伺服电机，因为它提供了快速响应速度、连续转动能力以及精确的位置和速度控制。直流伺服电机配合编码盘可以实现更精准的控制。 6. 摆杆状态检测：多种传感器方案被考虑，如编码盘、陀螺仪和加速度计。编码盘用于直接测量角度，陀螺仪检测角速度，而基于绝对位置测量的角度传感器则提供高精度的线性度和灵敏度。 7. 线性二次型最优控制(LQR)：倒立摆起摆后，采用了这种优化控制算法来确保摆动的稳定性，提高系统的控制精度。 总结，这个项目不仅涵盖了电机控制、能量转换、传感器技术，还涉及到了现代控制理论的应用，展示了在实际电赛题目中如何结合理论知识和技术实践来解决工程问题。