国赛小车制作

1、电动车跷跷板摘 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。1 电动车车体的选择方案一：可

2、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、。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

4、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 系统原理框图采用多路光电传

5、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，

6、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

7、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测管的方法。具体方法如下：小车正向行驶时，开通车头的发射管和接收管，关闭车尾的发射管和接收管；反向行驶的时候，开通车尾的发射管和接收管，关闭车头的发射管和接收管。这样做不但节省了I/O口资源，还减小了功耗。对于A/D采样值，我们通过不同权重的分配与加权的算法，采用纯比例控制，使小车在偏离跑道的情况下能够快速回到正确的路径上来，保证小车能够顺利、快速地完成任务。3滑动滤波 本系统的一大亮点就采用滑动滤波

8、，完美的解决了车体剧烈振动带来倾角测量的误差。若采用算术平均滤波和加权平均，由于采样N次，需要的时间较长，故检测速度慢，无法完成快速反应，而滑动平均值滤波可以克服这个缺点。4控制稳定的增量式PID算法比例调节作用：系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差。由于比例作用大，可以加快调节、减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分调节作用：只要系统有误差,积分调节作用就不断地积累，输出控制以消除误差，因而只要有足够时间，积分能消除误差，但积分作用太强会使系统超调量太大，甚至使系统出现振荡，所以，我们选取很小的系数Ki，并且采用积分分离的方法，很好地利用了

9、积分的作用。微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势, 因此，能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分的调节作用消除,可以改善系统的动态性能。小车要达到稳定就需要这种预见性，所以，选择合适的Kd十分关键。简化后的增量式PID算法如下：Vn=Vn-1 +V （1） V =Kp（en-e n-1）+Kien+Kd（en-e n-1）-（e n-1-en-2） （2）Vn，Vn-1当前和上次操作量；V 增量；en，e n-1，en-2当前，上次，上上次偏差；Kp，Ki，Kd 数值通过实验调试得到。5实时角度的测量本系统使用的角度传感器是芬兰VTI公

10、司的SCA61T角度传感器，它是一种高度集成单轴倾角传感器，采用8角塑封SMD封装。特点是5V单电源供电，测量范围为 -9090，数字SPI或模拟输出，高分辨率（0.1），低噪声，宽温度范围（-40-125）。角度的计算根据MISO数据输出口的数字量按照下面的公式计算得到：=arcsin(Dout-Dout0)/819) (3)Dout0=1024,是水平面时输出的数字量；Dout是当前测量角度位置输出的数字量；四、电路与程序设计1步进电机的驱动电路采用达林顿阵列ULN2803进行电平转换后控制N沟道MOS管IRF540的关断或导通来驱动步进电机。2光电检测电路运用了一路A/D采样两组光电检测

11、管的方法，每组10只，原理图如图2：图2光电检测电路原理图3倾角传感器电路图3 倾角传感器电路原理图4.显示器设计采用自带汉字库LCD点阵模块，使用串行驱动。信息量大、功耗小、占用MCU资源少。显示器等其他原理图见附图。5主要程序设计及流程图初始化正常前进A/D采样停止调整平衡保持平衡声光提示前进停止5S倒车返回指定位置开始结束到达终点到达起点图4 程序框图五、系统测试分析1光电检测调试发射端限流电阻的选择：当采用510欧姆电阻时，计算得电流为11.5mA,在实测中，我们发现发射信号太弱，多次测量后，发现采用360欧电阻时，计算电流得16.3mA，A/D采样得到的信号容易处理，并有相当大的裕量

12、。电压采用12V电池组经电感后直接输入，计算如下：5)/360=16.3 (mA) （4）接收端采样电阻选择：当电阻太小时，容易使采样电压偏低，当电阻太大时，容易受环境光干扰，需选择合适电阻。当采用电阻10K时，我们发现采样电压偏小，经过多次测量确定采样电阻值为20K时比较合理。2倾角检测调试倾角检测采用SCA61T芯片，测试中我们发现在小车进入平衡过程时，步进电机的运行会带来车体的振荡。振荡时的倾角很不稳定，采样的值偏差太大，使系统完全崩溃。为解决振荡问题，我们采用了滑动平均滤波法。经过测试，振荡问题有了明显的改善，小车在平衡点稳定时振幅不大，接近平衡时的基本要求。但仍有改进的空间，经过再次

13、论证，最后我们采用了二次滑动滤波，即将上次的滑动滤波得到的值与这次的采样值再次进行平均。经测试，结果令人满意。在测试过程中，我们也发现了跷跷板的固有振动频率对小车的平衡起着至关重要的作用，当跷跷板的固有振动频率较高时，小车很难跟上跷跷板的振动周期，很难取得平衡。通过反复调整与多个跷跷板的测试，小车的调整周期仍然无法与跷跷板相吻合，经多次实验，我们对跷跷板进行了机械改造，降低跷跷板的固有频率，使小车与跷跷板更好的配合。 3PID参数调试测试过程中PID调试结果见表1。表1 控制方案测试数据表Kp=10Ki=0.1Kd=1比例过大，系统灵敏度会过高，系统不稳定Kp =5Ki =0.1Kd =1系统灵敏度仍偏高，系统仍然不稳定Kp =1.5Ki =0.1Kd =1微分作用偏小，预知能力很差。Kp =1.5Ki =0.01Kd =2预知能力差Kp =1.5Ki =0.01Kd =5预知能力不够Kp =1.5Ki =0.05Kd =20积分系数过大，带来振荡Kp =1.5Ki =0.01Kd =20达到要求测试中，我们发现当Kp取的太大时，系统灵敏度会过高，系统不稳定。当Ki取的大时，偏差累加导致振荡，故偏差取的很小，并且只在平衡附近开始积分。而Kd