小车走跷跷板设计报告

小车走跷跷板设计报告组号：Q02一、设计思路：对于题目要求，最重要的是制作对于角度的传感器。我们没有使用市场上提供的水银传感起或者更高级的角度传感器，而是利用小球及轨道自己实现了一个简易的平衡仪。平衡仪的原理是利用小球的惯性，当小车构成某个角度的倾斜的时候，小球因为惯性达到轨道一端，再使用适当的位置传感器，转换为电信号输出给单片机。单片机收到信号并作确认后，调动电机对小车位置进行调整。故小车在跷跷板上反复调整位置，逼近平衡点，直至轨道相对水平，即小车到达平衡点。具体机械和传感器部分实现，可见下面小节。二、机械部分：机械和光电部分：这部分有2个器件，分别为小车提供平衡的信息和走直线的信息。1．平衡仪：这是这次工作的关键部分，从设计到最后的实现花了许多时间，设计的目标是让平衡仪提供前倾、后倾、平衡3种位置信息。通过实验，推翻了2种设计方案，最后完成了平衡仪的制作。方案1：如右图所示，利用金属球使得两个金属片直接导通，再配以辅助电路实现信号的传递。经过初步的实验，这一方案就被否决掉了，原因有二：1，收到导轨的限制，小球很难同时接触到两个金属片；2，无法做到小球和金属片直接的非弹性碰撞，信号不稳定。为了解决这两个问题，我们设计了第二种方案。方案2：轨道采用了4片金属片组成，在轨道中间部分涂上绝缘的涂层（胶水），当小球在左边或右边的时候两片金属就处于稳定的导通状态，这样就解决了方案1的两个问题。在实际制作中采用的是可乐罐的皮，最后测试时发现有严重的接触不良的问题（猜测是铝氧化层的关系，如果是铁片的话应该就可以了）。在已经有轨道的基础上，我们设计了第三种方案。方案3：采用发光二极管和光敏二极管对来传递小球的位置信号，当小球挡住光线时，光敏二极管为高阻，没挡住时为低阻，配以判决电路完成信号的转换和传递。最后实现的是这个方案。2．车前灯：由两组发光、光敏二极管组成，结构如右图所示，两个二极管成一定的角度以利于镜面反射光线的接收，两个灯罩隔绝自然光以及直接照射。两组灯与板上黑线配合，如果左灯照到黑线则表示车右偏，反之则左偏。根据光敏二极管阻值变化，配以判决电路完成信号的转换和传递。最后实测中发现小车的机械稳定度足够，无需车前灯校准。二、硬件部分：本试验的硬件部分主要是三个部分：1．供电部分：供电部分的电源为8V，直接供给电机所需。另一部分经过分压供给光电门所需电压。根据光电门特性，供电需要6V即可，故根据实验结果，串联发光二极管，可以分压2V。同时提供光电门供电正常指示灯。2．光电门电路部分：光电门部分主要电路是提供一个门限电压判决门，如果有小球经过光电门，根据电压变化输出信号，反馈单片机。具体电路如下图所示：2．两个光电门的输出连接到单片机的P0和P1脚，如图所示：发光二极管6V8V电机小球6V接地1.8kΩ1MΩ5kΩ输出10kΩ十一红外接收二极管红外发射二极管四、程序部分：1、对于小车走跷跷板的策略如下：先向前开，直到过平衡点，传感器得到的状态信号发生改变。然后小车改变行进方向，改为向后开，并且速度慢。接着直到传感器状态再次改变，说明又过了平衡点，此时小车再次改变方向并减速。重复上面的过程直到小车到最低速。这部分是大致定位。最后，小车以最低速行驶，根据传感器的状态决定行进方向，调整位置，每行进一定时间便停一下，使传感器能正确表示小车状态。经过几次调整后停下，实现精确定位。2、小车程序的具体实现。程序对小车马达的控制是由时间中断来实现的。小车的速度与方向的调节是由调节输出的pwm波实现。在每个时钟中断，输出pwm波控制马达，根据小车应有速度与方向决定输出pwm信号的高低，使马达在一定的时间内工作一段时间，停一段时间。程序的传感器部分也是由时间中断实现。每隔一定时间，程序对传感器采样一次。由于传感器是机械结构，导致传感器的信号毛刺较多，故程序采用统计办法除毛刺。统计一定时间内的采样信号，突破门限值的状态即为当前状态。若没有突破门限值的状态，则保持原状行进传感器状态改变是否最低速yn改变速度与方向ny过前n过后后退停止前进等待传感器状态次数已到平衡开始结束y态不变。程序的策略部分在根据传感器调节速度的部分实现。通过小车所处状态来决定下面的策略，调整速度与方向。五、作品及结果：综合上述三个部分，我们完成小车作品。实验结果：小车在有配重跷跷板上，几乎能够作到，一次找到平衡点。我们调整了小车精度，小车能够作到不断逼近平衡点位置。在无配重跷跷板上，小车也能有限次寻找平衡，并在最后亮灯提示找到平衡点。六、实验存在的问题：1．跷跷板没有阻尼。因为跷跷板很长，所以其转动惯量特别大。在小车寻找平衡位置时，对跷跷板起力矩作用，引起跷跷板来回振荡。因为没有阻尼，且转动惯量特别大，振荡很难停止，这个现象在加配重时尤为明显。即使小车到达平衡位置，跷跷板仍然来回谐振，造成未平衡假象，误导小车，使小车无法准确作出判断。解决方案：最佳解决方案是为跷跷板加上阻尼。在实验室条件无法满足，我们在程序上加上了一定的保护，对这种情况加了相关判断，提示小车可以最终调整收敛到平衡点。2．小车启动加速度。小车启动加速度很大，主要是该电机与轮子不匹配。轮子转动存在功率门限：只有达到一定功率才能启动小车。这使得小车无法慢速前进，在最后微调时，无法精确找到平衡位置。同时启动加速度恶化了跷跷板转动惯量问题，为其提供了力矩。解决方案：使用更好的车轮，或使用履带和齿轮组替代现有车轮。限于实验室条件和时间，在本实验中没有实现。