電動車蹺蹺板

1、電動車蹺蹺板摘 要本設計主要由三部分構成：采用單片機靈活控制的電動車，測量角度的SCA61T集成傾角傳感器，檢測引導黑線的光電傳感器電路。電動車的制作采用了左右兩輪分別驅動，后萬向輪自由轉向的方案，可做到小車平穩(wěn)前進，靈活控制。利用傾角傳感器實時得到當前角度，并利用數(shù)字PID控制配合滑動濾波使平衡過程順利快速地完成。巧妙利用同一個A/D轉換器采樣兩路光電檢測管，并采用數(shù)字PID調節(jié)，很好地完成小車的前進、后退、目的地停止等任務。關鍵字：傾角傳感器；光電傳感器；滑動濾波；PID一 、方案論證、比較與選擇根據(jù)題目要求，我們分以下幾個重要部分進行方案的比較、論證與選擇。1 電動車車體的選擇方案一：可

2、以在車模店自己選購配件組裝或自己加工制作，優(yōu)點是這種方法能夠制作出完全符合自己設計意圖的車體，缺點是需要較多時間和高水平的加工工藝。方案二：購置成品玩具電動小汽車，缺點是不可能完全符合使用要求，需要做大量修改。根據(jù)實際情況，采用方案一自制小車。2電動車的動力方案選擇方案一： 采用普通直流電機驅動。優(yōu)點是價格便宜、動力大，缺點是轉速大、難于準確控制，同時需要另配速度檢測裝置。方案二： 采用直流減速電機驅動。優(yōu)點是轉速低，動力大，缺點同方案一，也需要額外安裝速度檢測裝置。方案三： 采用雙步進電機差速驅動。特點是控制精度高、靈活。根據(jù)分析，本題要求車子必須具備高度靈活性和精確控制，故設計小組采用方案

3、三。3. 電動車的傾角測量方案選擇方案一：采用光電編碼器。需在其軸上安裝重錘才能進行傾角檢測，且進行小角度測量時需要克服較大的靜摩擦力，靈敏度低。同時電機振蕩會使測量結果不穩(wěn)定。方案二：采用傾角傳感器。芬蘭VTI公司生產(chǎn)的SCA61T是一款利用重力加速度測量傾角的集成芯片，使用方便，分辨率高（0.1度），低噪聲，并且可采用數(shù)字SPI或模擬輸出。方案一安裝復雜且測量精度不高，方案二則剛好相反，故我們采用了方案二。4電動車平衡控制方案選擇方案一：模糊判斷，根據(jù)不同傾角檢測情況進行處理和多條件復雜判斷。優(yōu)點是容易直觀判斷，缺點是容易遺漏一些情況，造成判斷失誤。方案二：數(shù)字PID控制。PID控制具有算

4、法簡單、適應性強、穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點。 通過分析比較，我們選擇了方案二的數(shù)字PID控制。5軌跡檢測方案選擇 方案一：線性CCD（電荷偶合器件）攝像頭尋跡。優(yōu)點是檢測精度高、反應速度快，缺點是信號處理比較復雜，對攝像頭記錄的圖象進行分割和識別困難。方案二：光電傳感器尋跡。優(yōu)點是原理簡單、操作方便、信號處理速度快，缺點是分辨率低。通過分析，方案一實現(xiàn)困難，方案二能夠滿足測量需要，我們選擇了方案二。二、系統(tǒng)設計1. 總體設計思想本系統(tǒng)有尋跡模塊、傾角測量模塊、步進電機驅動模塊、顯示模塊等組成。系統(tǒng)框圖見圖1。單片機左 右 電 機 控 制角度檢測引導線檢測LCD顯示圖1 系統(tǒng)原理框圖采用多路光電

5、傳感器ST178對軌跡黑線進行采樣，保證采集足夠的信息，供電機的實時調節(jié)，以達到能在板上精確沿著軌跡行進的目的。采用傾斜傳感器SCA61T對蹺蹺板進行實時傾角采樣，保證有充足的新傾角數(shù)據(jù)供單片機處理，達到快速平衡磽磽板的效果。單片機將收集的數(shù)據(jù)進行處理后，以精確控制步進電機按照指定的任務運行。在整個行程中，單片機時刻記錄步進電機前進的步數(shù)，并在要求的位置顯示所處的位置。本系統(tǒng)需在蹺蹺板中心線上放置引導線，整個過程可分為以下幾個階段（以下包含發(fā)揮部分）：1）查找黑線上板階段。在板下300mm以外、90°扇形區(qū)域內任一位置查找黑線，駛上蹺蹺板。2）平衡階段：小車駛上蹺蹺板后，發(fā)現(xiàn)板有明顯

6、的角度變化時，認定已進入平衡中心線區(qū)域，開始平衡調節(jié)。3）蹺蹺板加重物重新平衡階段。當小車第一次平衡后，給蹺蹺板加一重物，讓小車重新查找平衡點，再次平衡。4）終點倒車階段。在小車到達蹺蹺板的另一端時，小車按照原來的軌跡倒車回到出發(fā)點。三、原理分析和說明1電機控制 本設計中需要對電機的控制達到靈活、精確，從而達到非常理想的穩(wěn)定平衡效果。經(jīng)過考慮，我們采用了四相步進電機，型號為42BYGH404。電機電源部分采用十節(jié)AA型1.2V電池組直接供電，電機驅動部分采用N溝道MOS管IRF540驅動。2引導線檢測本系統(tǒng)需在蹺蹺板的中心線粘貼一條黑線，引導小車順利的向目標前進。在車頭和車尾我們各放置了10對

7、光電傳感器進行實時采樣。保證小車能安全向前行駛的情況下也能反方向行駛。在采樣問題上，如果采用比較法處理采樣電壓，得到高低電平需要20個比較器，并且電路連接復雜。在此我們巧妙的運用了同一個A/D轉換器采樣兩路光電檢測管的方法。具體方法如下：小車正向行駛時，開通車頭的發(fā)射管和接收管，關閉車尾的發(fā)射管和接收管；反向行駛的時候，開通車尾的發(fā)射管和接收管，關閉車頭的發(fā)射管和接收管。這樣做不但節(jié)省了I/O口資源，還減小了功耗。對于A/D采樣值，我們通過不同權重的分配與加權的算法，采用純比例控制，使小車在偏離跑道的情況下能夠快速回到正確的路徑上來，保證小車能夠順利、快速地完成任務。3滑動濾波 本系統(tǒng)的一大亮

8、點就采用滑動濾波，完美的解決了車體劇烈振動帶來傾角測量的誤差。若采用算術平均濾波和加權平均，由于采樣N次，需要的時間較長，故檢測速度慢，無法完成快速反應，而滑動平均值濾波可以克服這個缺點。4控制穩(wěn)定的增量式PID算法比例調節(jié)作用：系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調節(jié)立即產(chǎn)生調節(jié)作用以減少偏差。由于比例作用大，可以加快調節(jié)、減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調節(jié)作用：只要系統(tǒng)有誤差,積分調節(jié)作用就不斷地積累，輸出控制以消除誤差，因而只要有足夠時間，積分能消除誤差，但積分作用太強會使系統(tǒng)超調量太大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，所以，我們選取很小的系數(shù)Ki，并且采用積分分離的方

9、法，很好地利用了積分的作用。微分調節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率,具有預見性,能預見偏差變化的趨勢, 因此，能產(chǎn)生超前的控制作用,在偏差還沒有形成之前,已被微分的調節(jié)作用消除,可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。小車要達到穩(wěn)定就需要這種預見性，所以，選擇合適的Kd十分關鍵。簡化后的增量式PID算法如下：Vn=Vn-1 +V （1） V =Kp（en-e n-1）+Ki en+Kd（en- e n-1）-（ e n-1-en-2） （2）Vn，Vn-1 當前和上次操作量；V 增量；en，e n-1，en-2 當前，上次，上上次偏差；Kp，Ki，Kd 數(shù)值通過實驗調試得到。5實時角度的測量本系統(tǒng)使用

10、的角度傳感器是芬蘭VTI公司的SCA61T角度傳感器，它是一種高度集成單軸傾角傳感器，采用8角塑封SMD封裝。特點是5V單電源供電，測量范圍為 -90°90°，數(shù)字SPI或模擬輸出，高分辨率（0.1°），低噪聲，寬溫度范圍（-40-125）。角度的計算根據(jù)MISO數(shù)據(jù)輸出口的數(shù)字量按照下面的公式計算得到：=arcsin(Dout-Dout0)/819) (3)Dout0=1024,是水平面時輸出的數(shù)字量；Dout是當前測量角度位置輸出的數(shù)字量；四、電路與程序設計1步進電機的驅動電路采用達林頓陣列ULN2803進行電平轉換后控制N溝道MOS管IRF540的關斷或導通

11、來驅動步進電機。2光電檢測電路運用了一路A/D采樣兩組光電檢測管的方法，每組10只，原理圖如圖2：圖2光電檢測電路原理圖 3傾角傳感器電路圖3 傾角傳感器電路原理圖 4.顯示器設計采用自帶漢字庫LCD點陣模塊，使用串行驅動。信息量大、功耗小、占用MCU資源少。顯示器等其他原理圖見附圖。5主要程序設計及流程圖初始化正常前進A/D采樣停止調整平衡保持平衡聲光提示前進停止5S倒車返回指定位置開始結束到達終點到達起點圖4 程序框圖五、系統(tǒng)測試分析1光電檢測調試 發(fā)射端限流電阻的選擇：當采用510歐姆電阻時，計算得電流為11.5mA,在實測中，我們發(fā)現(xiàn)發(fā)射信號太弱，多次測量后，發(fā)現(xiàn)采用360歐電阻時，計

12、算電流得16.3mA，A/D采樣得到的信號容易處理，并有相當大的裕量。電壓采用12V電池組經(jīng)電感后直接輸入，計算如下：I=(11.4-1.1×5)/360=16.3 (mA) （4）接收端采樣電阻選擇：當電阻太小時，容易使采樣電壓偏低，當電阻太大時，容易受環(huán)境光干擾，需選擇合適電阻。當采用電阻10K時，我們發(fā)現(xiàn)采樣電壓偏小，經(jīng)過多次測量確定采樣電阻值為20K時比較合理。2傾角檢測調試傾角檢測采用SCA61T芯片，測試中我們發(fā)現(xiàn)在小車進入平衡過程時，步進電機的運行會帶來車體的振蕩。振蕩時的傾角很不穩(wěn)定，采樣的值偏差太大，使系統(tǒng)完全崩潰。為解決振蕩問題，我們采用了滑動平均濾波法。經(jīng)過測試

13、，振蕩問題有了明顯的改善，小車在平衡點穩(wěn)定時振幅不大，接近平衡時的基本要求。但仍有改進的空間，經(jīng)過再次論證，最后我們采用了二次滑動濾波，即將上次的滑動濾波得到的值與這次的采樣值再次進行平均。經(jīng)測試，結果令人滿意。在測試過程中，我們也發(fā)現(xiàn)了蹺蹺板的固有振動頻率對小車的平衡起著至關重要的作用，當蹺蹺板的固有振動頻率較高時，小車很難跟上蹺蹺板的振動周期，很難取得平衡。通過反復調整與多個蹺蹺板的測試，小車的調整周期仍然無法與蹺蹺板相吻合，經(jīng)多次實驗，我們對蹺蹺板進行了機械改造，降低蹺蹺板的固有頻率，使小車與蹺蹺板更好的配合。 3PID參數(shù)調試測試過程中PID調試結果見表1。表1 控制方案測試數(shù)據(jù)表Kp=10Ki=0.1Kd=1比例過大，系統(tǒng)靈敏度會過高，系統(tǒng)不穩(wěn)定Kp =5Ki =0.1Kd =1系統(tǒng)靈敏度仍偏高，系統(tǒng)仍然不穩(wěn)定Kp =1.5Ki =0.1Kd =1微分作用偏小，預知能力很差。Kp =1.5Ki =0.01Kd =2預知能力差Kp =1.5Ki =0.01Kd =5預知能力不夠Kp =1.5Ki =0.05Kd =20積分系數(shù)過大，帶來振蕩Kp =1.5Ki =0.01Kd =20達到要求測試中，我們發(fā)現(xiàn)當Kp取的太大時，系統(tǒng)靈敏度會過高，系統(tǒng)不穩(wěn)定。當Ki取的大時，偏差累加導致振蕩，故偏差取的很小，并且只在平衡附近開始積分。而K