HB05冯银朋小车.docx
- 文档编号:6246916
- 上传时间:2023-01-04
- 格式:DOCX
- 页数:12
- 大小:182.82KB
HB05冯银朋小车.docx
《HB05冯银朋小车.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《HB05冯银朋小车.docx(12页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
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
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- HB05 冯银朋 小车