电动车跷跷板的设计与实现.doc

PAGE 电动车跷跷板的设计与实现 摘 要 本设计主要由三部分构成：采用单片机灵活控制的电动车，测量角度的SCA61T集成倾角传感器，检测引导黑线的光电传感器电路。电动车的制作采用了左右两轮分别驱动，后万向轮自由转向的方案，可做到小车平稳前进，灵活控制。利用倾角传感器实时得到当前角度，并利用数字PID控制配合滑动滤波使平衡过程顺利快速地完成。巧妙利用同一个A/D转换器采样两路光电检测管，并采用数字PID调节，很好地完成小车的前进、后退、目的地停止等任务。 关键字：倾角传感器；光电传感器；滑动滤波；PID 一 、方案论证、比较与选择 根据题目要求，我们分以下几个重要部分进行方案的比较、论证与选择。 电动车车体的选择 方案一：可以在车模店自己选购配件组装或自己加工制作，优点是这种方法能够制作出完全符合自己设计意图的车体，缺点是需要较多时间和高水平的加工工艺。 方案二：购置成品玩具电动小汽车，缺点是不可能完全符合使用要求，需要做大量修改。 根据实际情况，采用方案一自制小车。 2．电动车的动力方案选择 方案一： 采用普通直流电机驱动。优点是价格便宜、动力大，缺点是转速大、难于准确控制，同时需要另配速度检测装置。 方案二： 采用直流减速电机驱动。优点是转速低，动力大，缺点同方案一，也需要额外安装速度检测装置。 方案三： 采用双步进电机差速驱动。特点是控制精度高、灵活。 根据分析，本题要求车子必须具备高度灵活性和精确控制，故设计小组采用方案三。 3. 电动车的倾角测量方案选择 方案一：采用光电编码器。需在其轴上安装重锤才能进行倾角检测，且进行小角度测量时需要克服较大的静摩擦力，灵敏度低。同时电机振荡会使测量结果不稳定。 方案二：采用倾角传感器。芬兰VTI公司生产的SCA61T是一款利用重力加速度测量倾角的集成芯片，使用方便，分辨率高（0.1度），低噪声，并且可采用数字SPI或模拟输出。 方案一安装复杂且测量精度不高，方案二则刚好相反，故我们采用了方案二。 4．电动车平衡控制方案选择 方案一：模糊判断，根据不同倾角检测情况进行处理和多条件复杂判断。优点是容易直观判断，缺点是容易遗漏一些情况，造成判断失误。 方案二：数字PID控制。PID控制具有算法简单、适应性强、稳定性好、可靠性高等优点。 通过分析比较，我们选择了方案二的数字PID控制。 5．轨迹检测方案选择 方案一：线性CCD（电荷偶合器件）摄像头寻迹。优点是检测精度高、反应速度快，缺点是信号处理比较复杂，对摄像头记录的图象进行分割和识别困难。 方案二：光电传感器寻迹。优点是原理简单、操作方便、信号处理速度快，缺点是分辨率低。 通过分析，方案一实现困难，方案二能够满足测量需要，我们选择了方案二。 二、系统设计 1. 总体设计思想 本系统有寻迹模块、倾角测量模块、步进电机驱动模块、显示模块等组成。系统框图见图1。 单片机 单片机 左 右 电 机 控 制 角度检测 引导线检测 LCD显示 图1 系统原理框图 图1 系统原理框图 采用多路光电传感器ST178对轨迹黑线进行采样，保证采集足够的信息，供电机的实时调节，以达到能在板上精确沿着轨迹行进的目的。采用倾斜传感器SCA61T对跷跷板进行实时倾角采样，保证有充足的新倾角数据供单片机处理，达到快速平衡硗硗板的效果。单片机将收集的数据进行处理后，以精确控制步进电机按照指定的任务运行。在整个行程中，单片机时刻记录步进电机前进的步数，并在要求的位置显示所处的位置。本系统需在跷跷板中心线上放置引导线，整个过程可分为以下几个阶段（以下包含发挥部分）： 1）查找黑线上板阶段。在板下300mm以外、90°扇形区域内任一位置查找黑线，驶上跷跷板。 2）平衡阶段：小车驶上跷跷板后，发现板有明显的角度变化时，认定已进入平衡中心线区域，开始平衡调节。 3）跷跷板加重物重新平衡阶段。当小车第一次平衡后，给跷跷板加一重物，让小车重新查找平衡点，再次平衡。 4）终点倒车阶段。在小车到达跷跷板的另一端时，小车按照原来的轨迹倒车回到出发点。 三、原理分析和说明 1．电机控制 本设计中需要对电机的控制达到灵活、精确，从而达到非常理想的稳定平衡效果。经过考虑，我们采用了四相步进电机，型号为42BYGH404。电机电源部分采用十节AA型1.2V电池组直接供电，电机驱动部分采用N沟道MOS管IRF540驱动。 2．引导线检测 本系统需在跷跷板的中心线粘贴一条黑线，引导小车顺利的向目标前进。在车头和车尾我们各放置了10对光电传感器进行实时采样。保证小车能安全向前行驶的情况下也能反方向行驶。在采样问题上，如果采用比较法处理采样电压，得到高低电平需要20个比较器，并且电路连接复杂。在此我们巧妙的运用了同一个A/D转换器采样两路光电检