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標(biāo)題: 小車走蹺蹺板設(shè)計報告(設(shè)計思路與硬件及程序?qū)崿F(xiàn)詳解) [打印本頁]

作者: zzp2066970838 時間: 2018-10-24 00:04
標(biāo)題: 小車走蹺蹺板設(shè)計報告(設(shè)計思路與硬件及程序?qū)崿F(xiàn)詳解)

小車走蹺蹺板設(shè)計報告

一、設(shè)計思路：

對于題目要求，最重要的是制作對于角度的傳感器。我們沒有使用市場上提供的水銀傳感起或者更高級的角度傳感器，而是利用小球及軌道自己實現(xiàn)了一個簡易的平衡儀。

平衡儀的原理是利用小球的慣性，當(dāng)小車構(gòu)成某個角度的傾斜的時候，小球因為慣性達(dá)到軌道一端，再使用適當(dāng)?shù)奈恢脗鞲衅鳎D(zhuǎn)換為電信號輸出給單片機(jī)。

單片機(jī)收到信號并作確認(rèn)后，調(diào)動電機(jī)對小車位置進(jìn)行調(diào)整。故小車在蹺蹺板上反復(fù)調(diào)整位置，逼近平衡點，直至軌道相對水平，即小車到達(dá)平衡點。

具體機(jī)械和傳感器部分實現(xiàn)，可見下面小節(jié)。

二、機(jī)械部分：

機(jī)械和光電部分：這部分有2個器件，分別為小車提供平衡的信息和走直線的信息。

平衡儀：這是這次工作的關(guān)鍵部分，從設(shè)計到最后的實現(xiàn)花了許多時間，設(shè)計的目標(biāo)是讓平衡儀提供前傾、后傾、平衡3種位置信息。通過實驗，推翻了2種設(shè)計方案，最后完成了平衡儀的制作。

方案1：如右圖所示，利用金屬球使得兩個金屬片直接導(dǎo)通，再配以輔助電路實現(xiàn)信號的傳遞。經(jīng)過初步的實驗，這一方案就被否決掉了，原因有二：1，收到導(dǎo)軌的限制，小球很難同時接觸到兩個金屬片；2，無法做到小球和金屬片直接的非彈性碰撞，信號不穩(wěn)定。為了解決這兩個問題，我們設(shè)計了第二種方案。

方案2：軌道采用了4片金屬片組成，在軌道中間部分涂上絕緣的涂層（膠水），當(dāng)小球在左邊或右邊的時候兩片金屬就處于穩(wěn)定的導(dǎo)通狀態(tài)，這樣就解決了方案1的兩個問題。在實際制作中采用的是可樂罐的皮，最后測試時發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重的接觸不良的問題（猜測是鋁氧化層的關(guān)系，如果是鐵片的話應(yīng)該就可以了）。在已經(jīng)有軌道的基礎(chǔ)上，我們設(shè)計了第三種方案。

方案3：采用發(fā)光二極管和光敏二極管對來傳遞小球的位置信號，當(dāng)小球擋住光線時，光敏二極管為高阻，沒擋住時為低阻，配以判決電路完成信號的轉(zhuǎn)換和傳遞。最后實現(xiàn)的是這個方案。

車前燈：由兩組發(fā)光、光敏二極管組成，結(jié)構(gòu)如右圖所示，兩個二極管成一定的角度以利于鏡面反射光線的接收，兩個燈罩隔絕自然光以及直接照射。兩組燈與板上黑線配合，如果左燈照到黑線則表示車右偏，反之則左偏。根據(jù)光敏二極管阻值變化，配以判決電路完成信號的轉(zhuǎn)換和傳遞。最后實測中發(fā)現(xiàn)小車的機(jī)械穩(wěn)定度足夠，無需車前燈校準(zhǔn)。

二、硬件部分：

本試驗的硬件部分主要是三個部分：

供電部分：

供電部分的電源為8V，直接供給電機(jī)所需。另一部分經(jīng)過分壓供給光電門所需電壓。

根據(jù)光電門特性，供電需要6V即可，故根據(jù)實驗結(jié)果，串聯(lián)發(fā)光二極管，可以分壓2V。同時提供光電門供電正常指示燈。

2．光電門電路部分：

光電門部分主要電路是提供一個門限電壓判決門，如果有小球經(jīng)過光電門，根據(jù)電壓變化輸出信號，反饋單片機(jī)。

具體電路如下圖所示：

兩個光電門的輸出連接到單片機(jī)的P0和P1腳，如圖所示：

四、程序部分：

1、對于小車走蹺蹺板的策略如下：

先向前開，直到過平衡點，傳感器得到的狀態(tài)信號發(fā)生改變。然后小車改變行進(jìn)方向，改為向后開，并且速度慢。接著直到傳感器狀態(tài)再次改變，說明又過了平衡點，此時小車再次改變方向并減速。重復(fù)上面的過程直到小車到最低速。這部分是大致定位。

最后，小車以最低速行駛，根據(jù)傳感器的狀態(tài)決定行進(jìn)方向，調(diào)整位置，每行進(jìn)一定時間便停一下，使傳感器能正確表示小車狀態(tài)。經(jīng)過幾次調(diào)整后停下，實現(xiàn)精確定位。

2、小車程序的具體實現(xiàn)。

程序?qū)π≤囻R達(dá)的控制是由時間中斷來實現(xiàn)的。小車的速度與方向的調(diào)節(jié)是由調(diào)節(jié)輸出的pwm波實現(xiàn)。在每個時鐘中斷，輸出pwm波控制馬達(dá)，根據(jù)小車應(yīng)有速度與方向決定輸出pwm信號的高低，使馬達(dá)在一定的時間內(nèi)工作一段時間，停一段時間。

程序的傳感器部分也是由時間中斷實現(xiàn)。每隔一定時間，程序?qū)鞲衅鞑蓸右淮巍Ｓ捎趥鞲衅魇菣C(jī)械結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致傳感器的信號毛刺較多，故程序采用統(tǒng)計辦法除毛刺。統(tǒng)計一定時間內(nèi)的采樣信號，突破門限值的狀態(tài)即為當(dāng)前狀態(tài)。若沒有突破門限值的狀態(tài)，則保持原狀態(tài)不變。

程序的策略部分在根據(jù)傳感器調(diào)節(jié)速度的部分實現(xiàn)。通過小車所處狀態(tài)來決定下面的策略，調(diào)整速度與方向。

五、作品及結(jié)果：

綜合上述三個部分，我們完成小車作品。

實驗結(jié)果：小車在有配重蹺蹺板上，幾乎能夠作到，一次找到平衡點。我們調(diào)整了小車精度，小車能夠作到不斷逼近平衡點位置。

在無配重蹺蹺板上，小車也能有限次尋找平衡，并在最后亮燈提示找到平衡點。

六、實驗存在的問題：

1．蹺蹺板沒有阻尼。因為蹺蹺板很長，所以其轉(zhuǎn)動慣量特別大。在小車尋找平衡位置時，對蹺蹺板起力矩作用，引起蹺蹺板來回振蕩。

因為沒有阻尼，且轉(zhuǎn)動慣量特別大，振蕩很難停止，這個現(xiàn)象在加配重時尤為明顯。即使小車到達(dá)平衡位置，蹺蹺板仍然來回諧振，造成未平衡假象，誤導(dǎo)小車，使小車無法準(zhǔn)確作出判斷。

解決方案：最佳解決方案是為蹺蹺板加上阻尼。在實驗室條件無法滿足，我們在程序上加上了一定的保護(hù)，對這種情況加了相關(guān)判斷，提示小車可以最終調(diào)整收斂到平衡點。

2．小車啟動加速度。小車啟動加速度很大，主要是該電機(jī)與輪子不匹配。輪子轉(zhuǎn)動存在功率門限：只有達(dá)到一定功率才能啟動小車。這使得小車無法慢速前進(jìn)，在最后微調(diào)時，無法精確找到平衡位置。同時啟動加速度惡化了蹺蹺板轉(zhuǎn)動慣量問題，為其提供了力矩。

解決方案：使用更好的車輪，或使用履帶和齒輪組替代現(xiàn)有車輪。限于實驗室條件和時間，在本實驗中沒有實現(xiàn)。

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