一、系統(tǒng)方案

1．實(shí)現(xiàn)方法

考慮到穩(wěn)定性和爬坡能力，選擇玩具坦克作為小車(chē)的主體。車(chē)前安裝紅外光電開(kāi)關(guān)以接收引導(dǎo)信號(hào)，安裝紅外反射對(duì)管用以在蹺蹺板上尋跡前進(jìn)。角度傳感器安裝在坦克底盤(pán)的中心平面上用以檢測(cè)蹺蹺板的狀態(tài)。車(chē)的后部安裝了以 CH451 驅(qū)動(dòng)的 8 位數(shù)碼管來(lái)顯示坦克的行駛路程和時(shí)間。對(duì)雙電機(jī)的驅(qū)動(dòng)我們使用了專(zhuān)用芯片 1298N，保證了驅(qū)動(dòng)的可靠性和精確性。微控制器采用凌陽(yáng)單片機(jī)。電源部分采用 7.2V 大功率鎘鎳電池組，經(jīng) LM7806 穩(wěn)壓后為雙電機(jī)供電，經(jīng) LM7805 穩(wěn)壓后為單片機(jī)和其它模塊供電。無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊用以向遠(yuǎn)處的監(jiān)視平臺(tái)實(shí)時(shí)發(fā)送小車(chē)與蹺蹺板的狀態(tài)信息。系統(tǒng)方框如下圖所示。

2．方案論證與設(shè)計(jì)

(1)微控制器的選擇

采用凌陽(yáng) 16 位單片機(jī) SPCE061A 進(jìn)行控制。

SPCE061A 內(nèi)部集成 7 路 10 位 ADC 和 2 通道 10 位 DAC，可以直接用于電壓測(cè)量時(shí)的數(shù)據(jù)采集，以及數(shù)字控制輸出及語(yǔ)音輸出；I/O 口資源豐富，可以直接完成對(duì)鍵盤(pán)輸入和顯示輸出的控制；存儲(chǔ)空間大，能配合 LCD 液晶顯示的字模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。采用 SPCE061A 單片機(jī)，能將相當(dāng)一部分外圍器件結(jié)合到一起，使用方便，抗干擾性能提高。

(2)車(chē)架的選擇與設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)對(duì)車(chē)速要求不高，而對(duì)穩(wěn)定性、精確度、平衡能力及爬坡能力要求較高。玩具坦克兼具以上各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，故此選作小車(chē)底盤(pán)。為了方便各個(gè)模塊的安裝將原車(chē)的炮塔拆去、只保留底盤(pán)和電機(jī)。為了測(cè)量行駛里程的方便，在坦克一側(cè)的主動(dòng)輪上均勻粘貼四片小磁鋼，通過(guò)單片機(jī)對(duì)霍爾開(kāi)關(guān)輸出脈沖的計(jì)數(shù)完成對(duì)路程的精確測(cè)量。

(3)電源的選擇與設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)要求 6V 和 5V 兩種電壓供電，故選用 7.2V 大功率鎘鎳電池組，經(jīng)由 LM7805 及 LM7806 輸出 5V 和 6V 電壓、分別為電機(jī)和單片機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)了控制電路電源和電動(dòng)機(jī)電源隔離，避免了由單電源供電時(shí)、電機(jī)起停產(chǎn)生的大電流對(duì)單片機(jī)和其它模塊的影響。如下圖所示。

(4)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)芯片的選擇與設(shè)計(jì)

本車(chē)采用原車(chē)自帶的雙直流減速電機(jī)，僅需 6V 即能可靠工作。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)選用專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片 L298N，該芯片可分別獨(dú)立控制兩路電機(jī)的起停和轉(zhuǎn)向，保證兩路電機(jī)參數(shù)的對(duì)稱(chēng)，有利于保持坦克行駛的穩(wěn)定性和精確性，也降低了電路的設(shè)計(jì)難度。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示。用單片機(jī)的五個(gè)端口給出 PWM 信號(hào)和控制信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)直行、轉(zhuǎn)彎、加減速、后退等動(dòng)作。

(5)顯示模塊的選擇與設(shè)計(jì)

根據(jù)要求，只需顯示小車(chē)在蹺蹺板上行駛的時(shí)間和距離，顯示內(nèi)容較少且均為數(shù)字，故選用了相對(duì)于點(diǎn)陣式液晶顯示器造價(jià)低很多的數(shù)碼管。其中五位用以顯示路程，余下的三位用來(lái)顯示行駛時(shí)間。八位數(shù)碼管采用專(zhuān)用鍵盤(pán)顯示管理芯片 CH451 驅(qū)動(dòng)。顯示模塊電路如下圖所示。CH451 的 SEGO～SEC7 分別控制數(shù)碼管的 8 個(gè)段，DIGO~ DIC7 用于選通各個(gè)數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。單片機(jī)僅用三個(gè)端口即可完成 8 位數(shù)字的動(dòng)態(tài)顯示。而對(duì)于監(jiān)視平臺(tái)我們選擇點(diǎn)陣式液晶顯示器，與數(shù)碼管比較其優(yōu)勢(shì)在于：顯示內(nèi)容更加豐富，人機(jī)界面更加友好，監(jiān)視人員易于取得信息。

(6)引導(dǎo)和尋跡模塊的選擇與設(shè)計(jì)

為引導(dǎo)小車(chē)準(zhǔn)確駛上蹺蹺板，在蹺蹺板的一端安裝一只具有廣角發(fā)射能力的紅外發(fā)射器，在小車(chē)的前端安裝一只紅外反射開(kāi)關(guān)的接收管以接收廣角紅外發(fā)射器發(fā)出的引導(dǎo)信號(hào)。在車(chē)的前端底部安裝紅外反射對(duì)管以檢測(cè)蹺蹺板上的黑色軌跡以循跡前進(jìn)。在車(chē)的后端也安裝有紅外反射對(duì)管以用于倒車(chē)時(shí)的尋跡。

下圖為引導(dǎo)小車(chē)駛上蹺蹺板所用引導(dǎo)電路。大功率紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光可以保證小車(chē)前端的光電開(kāi)關(guān)在 30cm 以外準(zhǔn)確地接收到。一旦光電開(kāi)關(guān)接收到紅外信號(hào)便在其輸出端輸出高電平，使三極管導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲響。同時(shí)單片機(jī)通過(guò)采樣光電開(kāi)關(guān)的電平便可得知光電開(kāi)關(guān)的狀態(tài)、再控制電機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作，使小車(chē)沿著紅外光引導(dǎo)的方向前進(jìn)并準(zhǔn)確駛上蹺蹺板，繼續(xù)在蹺蹺板上尋跡前進(jìn)。

(7)角度傳感器的選擇與設(shè)計(jì)

為了控制小車(chē)在蹺蹺板上的進(jìn)退和停止，必須對(duì)蹺蹺板與水平面之間的角度進(jìn)行測(cè)量。我們選用雙軸傾角傳感器 ZCT245AL-485 來(lái)測(cè)量角度，其測(cè)角范圍為 -450 到+450，輸出采用半雙工通信方式并采用 RS485 通信協(xié)議，具有零點(diǎn)設(shè)置、波特率調(diào)整等功能。其分辨率為 O.l。，重復(fù)性好，工作電壓為 5V 非常適合本系統(tǒng)的要求。ZCT245AL-485 普通型雙軸傾角傳感器直接通過(guò) RS-485 總線(xiàn)輸出兩軸與水平面之間的夾角。將角度傳感器固定在車(chē)底盤(pán)的水平面上，使其 X 軸與車(chē)的寬度方向平行，Y 軸與車(chē)的長(zhǎng)度方向即車(chē)的前進(jìn)方向平行。這樣，當(dāng)車(chē)爬坡時(shí) Y 軸輸出正的角度，X 軸輸出 O；下坡時(shí) Y 軸輸出負(fù)角度，X 軸輸出 O。單片機(jī)通過(guò)檢測(cè) Y 軸輸出角度即可獲知小車(chē)的位置和蹺蹺板的狀態(tài)，然后控制小車(chē)的進(jìn)退以保持蹺蹺板的平衡。其 RS-485 通信電路如下圖所示：角度傳感器的輸出經(jīng)由轉(zhuǎn)換器 MAX485 轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電平后與單片機(jī)進(jìn)行串行通信，實(shí)時(shí)讀出小車(chē)的傾斜狀態(tài)并由此控制小車(chē)的動(dòng)作以控制蹺蹺板的傾角。

(8)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的選擇與設(shè)計(jì)

我們?yōu)橄到y(tǒng)增加了與另一單片機(jī)無(wú)線(xiàn)通信的功能，該功能的實(shí)現(xiàn)賴(lài)于無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊 PT2262/2272。其中 PT2262 將載波振蕩器、編碼器、發(fā)射單元集成于一體，使發(fā)射電路變得非常簡(jiǎn)潔。接收芯片 PT2272LA 是非鎖存型 4 位數(shù)據(jù)輸出，有 8 位地址編碼，有效地防止 r 各個(gè)無(wú)線(xiàn)模塊之間的相互干擾。在我們的設(shè)計(jì)中小車(chē)上的單片機(jī)通過(guò) PT2262 向監(jiān)視單片機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送諸如“啟動(dòng)”、“停止”、“平衡”等狀態(tài)信息，監(jiān)視單片機(jī)通過(guò) PI2272 接收這些信息并通過(guò)液晶屏顯示和喇叭發(fā)聲將信息傳遞給選手，使選手可以對(duì)小車(chē)和蹺蹺板的狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)視。

(9)蹺蹺板的設(shè)計(jì)

蹺蹺板是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，我們采用高強(qiáng)度復(fù)合板主體加鋁合金邊框的結(jié)構(gòu)防止其變形，并加裝了必要的減震裝置來(lái)增強(qiáng)其抗干擾能力。

二、理論分析與計(jì)算
1．理論計(jì)算
(1)平衡時(shí)角度控制范圍的計(jì)算根據(jù)題目要求 ldA-dBl≤40mm，故在下圖中水平面 H 與蹺蹺板平面之間的夾角 D 度數(shù)的絕對(duì)值 IDI≤arcsin(ldA-dBI/IABl)=1.432 度。由于所用角度傳感器能分辨的最小角度為 0.1 度，故必須控制小車(chē)使角 D 的度數(shù)小于+1.4 且大于 -1.4。

當(dāng) D≥+1.4 度時(shí)控制小車(chē)前進(jìn)，當(dāng) D≤-1.4 度時(shí)控制小車(chē)后退，以此來(lái)調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的重心，恢復(fù)和保持蹺蹺板的平衡。

(2)路程的計(jì)算

由于玩具坦克特殊的結(jié)構(gòu)，我們無(wú)法使用傳統(tǒng)的光電碼盤(pán)來(lái)測(cè)速和計(jì)程。為此在坦克的一個(gè)主動(dòng)輪上粘貼四片小磁鋼，通過(guò)下圖所示霍爾傳感器對(duì)小磁鋼進(jìn)行檢測(cè)即可在其輸出端獲得一列脈沖。單片機(jī)通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)即可通過(guò)計(jì)算得知路程信息。設(shè) S 表示路程，d 表示主動(dòng)輪直徑，N 為對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)值，則有：S=πNd/4．

2．控制方法

(1)電機(jī)的控制

根據(jù)下表，可利用凌陽(yáng)單片機(jī)的五個(gè)端口來(lái)控制電機(jī)。其中四個(gè)端口分為兩組去分別控制兩個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)，使兩側(cè)電機(jī)一正一反轉(zhuǎn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)小車(chē)的左右轉(zhuǎn)彎，此法控制的小車(chē)轉(zhuǎn)彎能力極強(qiáng)，可以原地轉(zhuǎn)過(guò)任意角度，使小車(chē)的機(jī)動(dòng)性能大大提高。其余一個(gè)端口輸出 PWM 信號(hào)接在兩電機(jī)在 L298N 上所對(duì)應(yīng)的使能引腳 6 和 9 來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。凌陽(yáng)單片機(jī)可輸出占空比和頻率均可調(diào)的 PWM 信號(hào)。其占空比從 1/16 到 14/16 分為 14 檔，以此可方便地控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

(2)蹺蹺板傾角的控制

對(duì)蹺蹺板傾角的控制我們采用閉環(huán)反饋的方法，以滿(mǎn)足題目對(duì)控制精度的高要求。下圖是閉環(huán)反饋的示意圖，角度傳感器實(shí)時(shí)采樣蹺蹺板的傾角 D 送人單片機(jī)與預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行比較得出角度偏差 E。單片機(jī)對(duì) E 經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的 PID 控制算法得出對(duì)電機(jī)動(dòng)作的適當(dāng)方案 U，該方案通過(guò)小車(chē)作用于蹺蹺板以使其傾角恢復(fù)或保持在題目要求的范圍內(nèi)，即使角 D 滿(mǎn)足 IDI≤1.4 度。

三、程序設(shè)計(jì)

1．軟件設(shè)計(jì)思想

針對(duì)本系統(tǒng)中角度傳感器采樣較慢，控制對(duì)象蹺蹺板慣性大、滯后大的特點(diǎn)，我們選用了增量式按偏差的比例、積分、微分進(jìn)行控制，即增量式數(shù)字 PID 控制。

其算式為：

△u(kT)=Kp[e(kT)-e(kT-T)]+Kie(kT)+Kd[e(kT)-2e(kT-T)+e(kT-2T)]

其中 Kp、Ki、Kd 分別表示比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。該算法無(wú)需累加，控制增量的確定僅與最近三次的采樣值有關(guān)，較容易通過(guò)加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。

比例控制 P 是一種最簡(jiǎn)單的控制規(guī)律，其控制作用大小與偏差的大小成正比，調(diào)節(jié)迅速。但對(duì)于大多數(shù)慣性環(huán)節(jié)，Kp 太大會(huì)引起自激振蕩并且僅使用比例控制無(wú)法消除靜差。積分控制可以彌補(bǔ)單純比例控制的不足，消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，因?yàn)橹灰嬖谄?，積分控制的輸出總是用來(lái)減小靜態(tài)誤差，直到偏差為零、積分作用才停止。系統(tǒng)采用比例積分控制即 PI 控制可以消除靜態(tài)誤差，但是系統(tǒng)的超調(diào)很大，調(diào)節(jié)時(shí)間很長(zhǎng)。

為改善動(dòng)態(tài)性能還必須引入微分校正 D，微分的控制作用與偏差的變化率有關(guān)，偏差變化率越大其調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)。微分控制可以預(yù)測(cè)偏差，產(chǎn)生超前的校正作用，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。結(jié)合上述三種控制方法，并通過(guò)試驗(yàn)不斷地對(duì)相應(yīng)參數(shù)做出調(diào)整，最后由此編出的軟件擁有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，對(duì)控制對(duì)象的控制相當(dāng)精確、快速。

2．工作流程圖

編輯：hfy