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1、如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流电动车跷跷板【精品文档】第 7 页电动车跷跷板（F题）摘要电动车跷跷板由一个电动小车改造完成。小车从跷跷板一端的某一位置出发，驶上跷跷板并在上面行驶，调整自身的位置，使跷跷板处于平衡状态。当有另一块任意质量配重放置在跷跷板上时，电动车能够重新取得平衡。采用PID算法和鉴向控制驱动双电机差速实现速度和路程的控制。采用黄金搜索法和PD算法结合控制小车寻找平衡点，达到平衡状态。采用倾角传感器SCA103T作为小车倾斜角的敏感器件，判断跷跷板的状态是否达到平衡。 双传感器寻迹，保证小车能够顺利返回起始点。设计的重点和难点是角度传感器的选择和平衡算法的设计。特色是
2、对角度传感器输出信号的处理和平衡算法的设计。关键词MC9S12DG128 倾角传感器电动车跷跷板黄金搜索法一系统方案1题目分析小车要满足题目的要求，实现预定的功能，跷跷板小车就要具有寻线，电机驱动，倾角检测，显示等功能模块，并要有一个控制系统协调各个模块正常工作。从整个系统来看，检测跷跷板的状态，实现跷跷板的平衡是设计的重点和难点。2方案论证与比较2.1 信息检测对象的选择： 实现系统功能，关键是系统信息的检测和控制算法的设计。可以检测小车的状态或者跷跷板的状态来判断系统是否处于平衡状态。方案一：对于小车而言，可以测量其车体的加速度，转角或者车体倾斜角。由于小车不仅有跟随跷跷板的运动，而且相对
3、跷跷板也在运动。检测到小车的信息后，需要检测板子的信息并做转化处理，才能算得绝对的角度，角加速度或车体倾斜角。方案二：对于板子而言，其运动状态代表了系统的状态，检测得到的信息经过滤波去噪，基本就是系统的信息。考虑到以小车作为检测对象将使控制系统变得复杂，且在系统中引入了更多的干扰和误差，因此将跷跷板作为信息检测的对象。2.2 反馈的选择： 控制跷跷板的平衡，反馈的选取起到了至关重要的作用。方案一：检测板子的倾角，转动角速度角或角加速度，判断跷跷板是否达到平衡状态。对于控制算法而言，角度和距离是最直观的控制变量。距离的检测需要以某一位置作为参考点，倾角的检测以铅垂线或某一确定方向做参考。方案二：
4、检测板子一端离地面的距离。但对于控制算法而言，需要将板子到地面的距离信息转化为角度信息，增加了算法的复杂度，同时增加了跷跷板倾角信息的误差。综合以上信息，将跷跷板的倾角度作为控制的反馈信号。2.3 数据传输部分： 将传感器和控制部分分离，就要考虑信息的传递一般有有线和无线两种方式。方案一：有线传输可靠，但要拖一根长长的数据线。方案二：无线传输较有线传输方式简洁。市场上也有现成的无线传输模块可以使用。节省了开发时间。由此，选用无线传输模块来传递信息。2.4 控制器的选择： 对于一个不稳定系统，要控制系统达到平衡位置，需要加入一个控制器。方案一：采用PID控制器。PID控制器是一种适应范围广的控制
5、算法。可以达到一般的控制要求。跷跷板的平衡是要达到两边的力矩平衡。小车行驶到某一个特定的位置才能使跷跷板平衡。方案二：采用0.618法不断搜索平衡点，使系统达到平衡。0.618搜索法比平分法的速度要快，是搜索算法中速度比较快的一种。充分考虑两种方法的优缺点后，将两种方法结合使用，先采用0.618搜索法将小车移动到平衡点附近，再使用PID控制器进行调解，以保证最佳的控制效果。系统设计由以上分析，基本确定使用倾角传感器检测跷跷板的倾斜角度判断系统所处的状态。采用PID控制器控制小车的运动，配合使用黄金搜索法使小车行驶到平衡位置。整个系统分为六个部分：单片机控制部分，倾角测量，无线传输，寻线部分，电
6、机驱动电路，里程测量和显示部分。设计的系统如图所示。无线传输控制部分（MC9S12DG128）驱动电路 （L298N）显示部分（L E D）倾角检测（SCA103T）寻线（ST178）里程测量（码盘+ST251C）信息采集（MC9S12DG128）图系统结构框图二理论分析与计算1.系统模型的建立 对于一个跷跷板系统，如图所示，假设板子重心在B处，板重为G1。配重物体的重心位置为D，在AB之间,距B 距离为L1,重量为G2。小车重心位置为E，在CB之间,距B 距离为L,重量为G。当跷跷板转动一个角度时：（）（）式中，J=J1+J2+J3,其中J1为板子的转动惯量，J2为小车的转动惯量，J3为重物
7、的转动惯量b为系统在轴处的阻尼系数K为系统的刚度。1600mmG2L1LGG1ADCEB图跷跷板系统当没有配重时，即G2=0,J3=0,(1)式简化为：（）k值很小，可以忽略轴的接触材料是软木材料，查工程手册得知b=0.35。板的尺寸是,不妨将板子看作一长薄板，其相对于B的转动惯量。小车的长宽高尺寸（）是。当小车位于B时，其相对B点的转动惯量为。如若小车在B附近平衡，可以近似认为小车相对B的转动惯量不变。板重G=3.3kg ，车重G=0.6kg 。此时有J1J2,则可以近似认为J=J1.当小车在B附近时，式（）简化为：（）对于直流电机，在一定范围内，可以近似认为电压与速度成比例关系。则有。对（
8、）式进行拉氏变换可得系统的传递函数为： （4）分别提供小车不同的电压，测得对应的速度做曲线拟合得。将系统参数带入（4）计算得： （5）传感器模型的建立倾角传感器使用了VTI公司的SCA103T,检测范围为，输出模拟信号电压值的范围为0.5V4.5V.则其标度因数为K2=(4.5-0.5)/30=0.133。查阅技术资料知其测试带宽为8.25Hz.，可以将传感器近似为一阶惯性环节，为: 3. 控制器的设计由以上分析知，系统的开环传递函数为G(s).传感器的带宽为8.25Hz,将目标系统的带宽设计为Hz。此时由于传感器的带宽远远大于目标系统的带宽，可以将传感器近似看作一比例环节，比例系数K2=4/
9、30。由此可知，该系统是一个三阶系统，开环有极点，系统本身不稳定。由Bode图（见附录）可知，欲使系统稳定，至少需要一个零点，若b较小，可能需要两个零点。 考虑到单片机的运算能力和处理能力，将其简化为PID控制器。对于PID控制，当系统处于不同的状态时，不同控制量的作用大小是不同的。为了提高整个系统的相应速度而又不影响系统的控制精度，本系统在不同的状态选择不同的控制器。整个系统图如图所示：输入PWMH(s)PIDPDP判断状态，选择算法图3 控制系统示意图 三检测与驱动电路的设计倾角检测倾角传感器的输出量与轴线与重力作用线的夹角相关，即与斜面的倾斜角相关。可以方便的计算出小车当前所处平面的倾角
10、。由于存在噪声干扰，需要对输出信号进行滤波处理传感器的频率为 8.25Hz，可以设计30Hz的低通滤波器，在信号输出后，加一级RC滤波网络(R=16.2k,C=0.33uF)，消除高频噪声。具体实现电路为附录4。寻线检测方案：采用一排红外发射接收管ST178。该传感器不但价格便宜，而且处理电路简单易行，实际使用效果很好，能很顺利地引导小车到达C点。对管检测原理附录所示。3码盘信号的检测、输入与处理 为方便MCU对电机的调速控制，我们在电机上安装了一个60线的光电码盘作为电机转速反馈的传感器。光电码盘有A、B两个通道，其相位相差90度。利用这个相位差，我们既可以对码盘所产生的脉冲进行计数，又可以
11、通过电路来鉴别电机的转向，更加有效地配合双极性的PID调速控制。码盘的信号处理电路见附录2。4总体电路图设计 整个系统以单片机为核心，外围电路由倾角测量，寻线部分，电机驱动电路，里程测量和显示部分组成。总体电路图见附录。四软件设计 算法设计 小车要完成要求的功能，要能寻线前进，倒退，调整跷跷板的平衡，并能在没有引导线的情况下，沿着某一直线前进软件设计的重点和难点是平衡算法的设计主要采用了PID和搜索算法。1.1 PID算法设计 在第二部分的控制器设计中已作了说明，这里不在赘叙。1.2 搜索算法的设计平衡就是小车停留在某一固定的位置，使系统受力静态平衡总是存在使系统平衡的一个点要达到平衡，就是找
12、到平衡点的位置由角度传感器的值，可以判断平衡点的方向首先可以让小车从某一点出发，找到平衡点所在的区间，然后搜索平衡点在搜索中采用0.618法。 0.618法是根据黄金分割原理设计的，确定第一个试验点是在试验范围的0.618处。从第二次试验起，每次能去掉相应试验范围的382/1000，试验范围逐步缩小，平衡点逐步接近。因此，用0.618法能以较少的试验次数，迅速找到最佳点。工作流程设计 小车的要求分为基本部分和发挥部分。根据题目要求和流程，设计如图4所示软件流程： YYYYYYYYNNNN寻线前进开始调整？调整平衡平衡？等待再次调整？调整平衡平衡？显示状态NNN结束寻线前进到达C?调整平衡平衡？
13、寻线前进停留s,到达B?停留5s倒退返回已返回？开始功能选择图4 工作流程图基本部分发挥部分N五系统调试及测试1. 测试仪器测试用到的仪器有秒表，高度游标卡尺。2. 测试方法和结果 系统要求分别实现基本要求和发挥部分。搭建题目要求的跷跷板系统，分别做基本要求和发挥要求的测试,分别测试三次。基本要求测试时，在不加配重的情况下，电动车完成以下运动：（1）电动车从起始端A出发，在30秒钟内行驶到中心点C附近；（2）60秒钟之内，电动车在中心点C附近使跷跷板处于平衡状态，保持平衡5秒钟，并给出明显的平衡指示；（3）电动车从（2）中的平衡点出发，30秒钟内行驶到跷跷板末端B处（车头距跷跷板末端B小于50
14、mm）；（4）电动车在B点停止5秒后，1分钟内倒退回起始端A，完成整个行程；（5）在整个行驶过程中，电动车始终在跷跷板上，并分阶段实时显示电动车行驶所用的时间。做发挥部分测试时，三次测量初始都加同样重的配重0.2kg。放置在距A端分别为200mm,300mm和400mm的位置。测试平衡情况电动车完成以下运动：（1）将电动车放置在地面距离跷跷板起始端A点 300mm以外、90扇形区域内某一指定位置（车头朝向跷跷板），电动车能够自动驶上跷跷板。（2）电动车在跷跷板上取得平衡，能给出明显的平衡指示，保持平衡10秒钟；（3）将相同质量的块状配重放置在A至C间某一位置，电动车能够重新取得平衡，给出明显的
15、平衡指示，保持平衡10秒钟；（4）电动车在3分钟之内完成（1）（3）全过程。（5）测试功能设置及实时显示时间。记录测试结果如表2所示。表2：测试内容基本要求 发挥部分 时间显示误差A-C时间平衡时间平衡时两端高度差C-B时间C-A时间第一次平衡时间第一次两端高度差加重物后平衡时间加重物后高度差总时间一=1s8s20s2.3cm6s23s30s1.0cm90s1.5cm120s二=1s8s30s1.5cm6s22s40s1.5cm140s1.8cm180s三=1s8s48s2.0cm7s24s45s1.3cm130s1.0cm175s 3结果分析 从测试数据可以看出，完全达到了基本部分的要求。发挥部分也达到了一些指标，能够在有重物的时候让跷跷板平衡，放上第二块重物小车也能调节平衡。但是小车的调节时间比较长，做完发挥部分的任务有时会超出3分钟的要求。而且小车也有许多需要改进的地方。首先，小车的建模不够精确，忽略了许多因素。考虑更多因素的影响，建立更加接近实际的系统，有利于控制精度的提高。 六结论 经过尝试不同的方法，不同的方案，实现了题目的基本要求。发挥部分完成。特别是双电机驱动，码盘鉴向控制，无线传输的使用，以及PID算法，黄金搜索算法的使用，大大提高了系统性能。