HB05冯银朋小车.docx
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HB05冯银朋小车
目录
一、方案论证2
1.平衡方案2
2．车体和驱动电机选择2
二、系统设计：
3
1.理论分析与计算：
3
2．系统总体设计4
3．硬件设计4
4．系统软件设计6
三、发挥部分的设计7
四、测试结果7
五、结论7
电动车跷跷板（F题）
摘要
本系统由单片机模块、输入输出模块、检测模块、电机驱动模块、电源模块和车体等组成。
系统采用模糊决策的方法，使小车在跷跷板上逐次逼近平衡。
小车采用履带车，用步进电机驱动，控制精度较高，对环境有较强的适应性。
当在跷跷板上加入配重后，小车仍能够平衡。
一、方案论证与比较
1.平衡方案
方案一：
在平衡点附近靠小车移动实现平衡。
小车的往复运动调整了小车和跷跷板的重心。
通过逐次逼近的方法，最终使整个系统达到平衡。
方案二：
如图1,2，当小车靠近中心点C时，小车上的步进电机带动重锤、丝杠滑块或曲柄滑块等机构调节小车的重心，实现小车的平衡。
方案一结构简单，但是由于车的惯性很大，对控制要求较高。
方案二结构复杂，需要一定的机械结构，对安装也有一定的要求，短时间内难以实现。
考虑到各成员的知识结构，本设计最后选择方案一。
图1.通过重锤实现平衡图2.通过调节车的重心实现平衡
2．车体和驱动电机选择
1）履带车：
履带车动力大，对坡度有较强的适应性，爬坡能力强；转弯灵活，但是行进速度较慢。
2）轮式车：
轮式车速度快，运动灵活。
但是轮子与板面之间的摩擦小。
3）步进电机：
步进电机转矩大，位置控制简单，精度较高，成本低。
但速度较慢。
4）直流电机：
直流电机速度快，动态相应好。
但是位置控制复杂。
若实现精确控制，必须采用直流伺服电机，成本较高。
综合考虑以上因素，本设计选择了履带车加步进电机驱动的方案。
3．传感器选择
普通的电位器式角度传感器：
此传感器需要自制重锤，通过检测电阻的变化检测角度。
由于重锤的惯性该传感器的响应速度慢，不适合用于该系统。
专用的倾角传感器：
该传感器响应速度快，测量精确，抗干扰能力强，应用方便。
但成本较高。
考虑到时间紧迫和实际需求，本系统采用专用的倾角传感器。
二、系统设计：
1.理论分析与计算：
假设跷跷板自身平衡，并且质量分布均匀。
忽略车在平衡位置附近时车的转动惯量和轴的阻力。
于是有：
（1）
（2）
（3）
式中
为系统对转轴的和力矩，
为跷跷板与水平位置的夹角。
为跷跷板的对转轴的角加速度。
为小车重心偏离跷跷板轴心的距离。
于是有：
（4）
当小车接近平衡时，有
0，
。
于是（4）变为
（5）
可见，角度滞后位置180，系统将震荡。
当考虑轴的阻尼时，角度滞后将加大。
可见系统具有很大的惯性。
由于小车在板上的位置不断移动，小车、跷跷板和转轴联合体的重心和转动惯量随之变化。
由于小车的位置难以用简单的方法精确测得，再加上设计要求对不同的配重块和不同的位置有较强的适应性。
所以采用精确数学模型进行控制的方法可行性不大。
与之相对，采用模糊控制的方法则可以取得较好的控制效果。
利用人的经验，结合小车的模糊位置信息，制定相应的决策表，靠小车的自我调整，使小车逐次逼近平衡点。
具体方法为：
预先找到小车在跷跷板上的平衡位置，在此位置附近贴上黑色胶带。
当小车到达此位置时，表明小车已靠近平衡位置。
然后通过小车的缓慢前后试探性移动，逐渐减小小车的移动距离，使小车的逼近平衡。
图3．传感器输出特性
由图3可以看出，当传感器的线性在输入角度为40°～110°时很好。
实际系统中考虑到单片机片内基准最大值为3.3V，选用3.3V电源给传感器供电。
实测数据：
=60°，
=2.242V
=90°，
=1.639V
=120°，
=1.039V
于是，每度角度对应的电压值为：
20mV,采用单片机片内的12位AD，完全可以满足要求。
2．系统总体设计
图4.系统方框图
3．硬件设计
（1）控制单元：
本系统的核心控制芯片是TI公司的MSP430F149单片机。
单片机本身集成有12位AD转换器，以及两个功能强大的定时器，可以实现多路PWM输出，能够方便得实现电机的控制。
同时该单片机有丰富的IO资源，无需附加更多的外围电路，简化了电路设计。
单片机最小系统见附录。
（2）步进电机驱动单元：
系统采用常用的步进电机驱动芯片L297配合L298实现了对步进电机的精确快速控制。
L297在本系统中相当于步进电机的脉冲分配器。
单片机只需给其简单的指令和脉冲，从而减轻了单片机的负担。
L298是高电压、大电流全桥电机驱动芯片，可以驱动一个步进电机。
具体电路如图5。
图5.L297/L298步进电机驱动电路
（3）位置检测单元：
如图6，红外对管发出的信号经比较器比较后实现了数字输出。
当小车经过黑线时，发射的红外光被黑线吸收，接收管没有接收到反射信号，接收管输出高电平。
为了得到足够多的位置信息，在小车的前后分别安装了7个和3个红外对管。
调节电位器Rb可以改变红外对管的作用距离。
图6.反射式红外对管原理图
（4）隔离电路
步进电机属于大功率元件，对单片机和角度传感器构成很大影响。
为了防止步进电机的干扰，系统采用光耦TLP250隔离步进电机和其他电路。
如图7和图8，通过光信号实现了电机电路和单片机电路之间的电气隔离。
图7.TLP250接线图图8. TLP250原理图
（5）人机接口单元
显示模块采用MAX7219驱动8位数码管。
MAX7219内部自带位选扫描信号，操作简单。
输入模块采用简单的8个独立式键盘。
此键盘主要用于调试，属于小车的从属部件。
（6）角度检测单元：
系统采用角度传感器WQH36—45检测角度。
WQH36—45采用高性能磁敏感元件，利用重力摆结构，可无电触点的测量倾斜角度，具有灵敏度高、分辨率高、寿命长、抗振动等特点。
为了使传感器的供电电压足够的稳定，系统采用大输出电流的基准电压芯片REF196作为角度传感器的供电电源。
具体电路如图9。
图9.REF196接线图
（7）电源模块：
系统采用两个电池组供电，一个为步进电机驱动模块供电，另一个为单片机模块和检测模块供电。
两个电池组之间不共地。
单片机通过光耦向步进电机驱动模块传递信号。
4．系统软件设计
软件设计基本遵循题目要求的流程，主要有A-C，C-B,B-A之间的快速行进模块、逐次逼近平衡模块、小车从扇区上跷跷板等模块。
另外，为了操作和调试方便还加入了数码显示和键盘模块。
图10.控制算法流程图
控制算法采用逐次逼近的方法，具体流程如图10。
跷跷板的震荡周期较长，约为2秒。
为了防止小车的误动作，在软件中加入了“消抖”，即采用双重判断，中间加延时的方法。
如果两次判断结果相同，则认为是满足条件。
由于小车在行进过程中存在振动，所以倾角传感器的输出存在波动。
软件中加入了防脉冲干扰的均值滤波方法：
去除连续采样的n个数据中的最大值和最小值，将剩余的数据求平均值。
三、发挥部分的设计
跷跷板加入配重后，整个系统的平衡点向前移动。
系统的惯量加大，平衡难度增大。
基本部分设计中，在平衡位置附近贴上黑线，主要作用是减少平衡时间。
实际上，线的位置调整后，调节时间加长。
加入配重后，由于配重的位置随机，所以不采用贴黑线的方法。
而是预估一个平衡位置，然后当小车靠近该位置时，调用自我调节平衡程序，使小车最次逼近平衡点，最终使系统趋于稳定。
四、测试结果
表1.基本要求测试数据（室内无明显气流，自备跷跷板）
项目
1/s
2/s
3/s
小车从A到C点附近
7
7
7
小车平衡
16
69
21
小车从平衡位置到B
8
8
8
小车从B返回到A
16
16
16
小车在C点附近平衡5秒
完成
实时显示各阶段所需时间
完成
小车始终在跷跷板上
完成
表2.平衡时前后的高度
A点高度/mm
B点高度/mm
一
85
95
二
80
92
三
87
98
表3.加配重后测试数据（配重质量250g）
第一块配重位置/mm
第一块配重位置/mm
第一次平衡时间/s
重新平衡时间/s
400
400
23
45
400
600
16
24
380
380
40
35
注：
第一次平衡时间的时间起点为小车到达跷跷板上的第三条黑线。
重新平衡时间的时间起点为加入第二块配重。
五、结论
由于跷跷板自身的震荡周期较长，约为2秒。
所以角度传感器的采样不宜过快。
较长的采样周期配合较慢的小车往复周期是系统稳定的关键。
实验证明履带车和步进电机组合是完成设计任务的一种较好的选择，采用决策表的模糊控制算法作用效果明显，基本上能完成大部分设计任务。
附录：
系统原理图
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