电动车跷跷板资料.doc

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1、电动车跷跷板精品文档电动车跷跷板（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。特色是对角度传感器输出信号

2、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。收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档方案一：对于小车而言，可以测量其车体的加

3、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

4、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：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：

5、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。收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档方案一：采用PID控制器。PID控制器是一种适应范围广的控制算法。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。３．系统设计由以上分析

6、，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，电机驱动电路，里程测量和显示部分。设计的系统如图１所示。无线传输控制部分（MC9S12DG128）驱动电路（L298N）显示部分（LED）倾角检测（SCA103T）寻线（ST178）里程测量（码盘+ST251C）信息采集（MC9S12DG128）图１　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２所示，假设板子重心在B处，板重为G1

7、。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：收集于网络，如有侵权请联系管理员删除精品文档　　　　　　　　（１）（１）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２　跷跷板系统当没有配重时，即G2=0,J3=0,(1)式简化为：　　　　　　（２）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,

8、不妨将板子看作一长薄板，其相对于B的转