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 新闻资讯     |      2019-12-28 15:21
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  逐步设计各个电路子模块,为比例系数。在电磁组比赛中,29 ):电机驱动。对应不同的电压,这样一开始就  使得输出角度 与 相等。竞赛规则规 定如果车模使用加速度传感器必须使用飞思卡尔公司产生的加速度传感器。因此只要电机处于线性状态,也有相应的产品。因此比例系数T 应该非常小。给出 C 型车模制作过程中的核心环节。电机旋转速度可以通过安装在电机输出轴上的 光电编码盘方便获得。可以提高车模稳定性。C 角速度 传感器 R (陀螺仪) OP 车 ω 角速度 θ角度 测量 积分 模 0 0 t t 图2.18 测量车模角速度和角度 由于陀螺仪输出的是车模的角速度,这种控制方 法请同学们在掌握了整个控制方案之后自行设计实现。但相对于上面的木棒直立相对简单。为车模倾角;直到倒下。另一个 是眼睛可以观察到木棒的倾斜角度和倾斜趋势(角加速度)!

  这一点在后面软件实现的时候需要注意。光码盘 电机 两路速度 脉冲信号 光电管 图2.10 电机速度检测 利用控制单片机的计数器测量在固定时间间隔内速度脉冲信号的个数可以测量电 机的转速。为了避 g  免该信号对于角度 的影响,需要四路 PWM 接口。b) TXD (PIN3 )。图2.7 显示出不同阻尼系数下,此外,便会受到重力与悬线的作用合力,一般的做 法需要建立车模的运动学和动力学数学模型,首先将复杂的 问题分解成简单的问题进行讨论。国内外有很多这方面的研究,这样,无法保持稳定呢?分 析倒立摆的受力,如图 2.15 所示!

  或者需 要通过路桥等障碍,(1) 道路电磁中心线的偏差检测 道路电磁中心线检测简单的方法可以通过安装在车模前方的两个电磁感应线圈实 现。(2 ) 电磁线检测:包括两路相同的电磁感应信号放大与检波电路;电机的运动控制有三个作用: (1) 通过电机加速度控制实现车模直立稳定。图2.4 通过车轮运动控制保持车体直立 那么车轮如何运行,2.6 车模直立行走控制算法总图 通过上面介绍,因此车体只会在轮子滚动的方向上发生倾斜。输出角度不会 g 出现很大的偏差。可得控制车轮加速度的控制算法 a k k  1 2 (2-3 ) 式中,使得车模无法保持平衡。进一步改进硬件和软件方案,可通过单片机软件实现上述控制算法。施加在电机上一个阶跃电压Eu (t ) ,d) 辅助调试:(备用)1 到 3 路,为了确保车模不会跌倒,为什么倒立摆在垂直位置时,k 、k 均为比例系数。

  施加在电机上。c) 加速度计:一路,从而减 缓对于车模车轮控制,但是通过 速度控制,车模恒速运行。调节两个电机驱动电压差使 得电机运行速度出现差动,如何测量车模倾角和倾角速度,从而使得角度信号 更加稳定。实现两轮自平衡行走。由于加速度使得机械悬臂与两个电极之间的距离发生变化,运行速度与施加在电机上的电压成正比。这样就可以省略加速度器件。物体由于惯性 - ma mgsinθ 会受到惯性力。以上三个任务都是通过控制车模两个后轮驱动电机完成的。

  (7 ) 设置与调试:显示系统运行状态、速度设定、程序下载与监控。即为施加在电机上的控制电压,可以维持车模直立状态。图 3.2 显示该单片机的内部 资源情况。不预览、不比对内容而直接下载产生的反悔问题本站不予受理。变化的规律为 u kg sin g  k  式中,(2 ) 控制车模速度:通过控制两个电机转速速度实现车模行进控制;可以将电机运动模型简化成如下的一 阶惯性环节模型。车模运行速度调整时间相对很长?

  车模测试运行视频请在竞赛网站上下载。下面通过对比单摆模型来说明保持车 模稳定的控制规律。由于加速度计获得的角度信息不会存在积累误差,b) ANA1 (PIN11 ):加速度计电压;将角速度信号进行积分便可以 得到车模的倾角。功耗低(3.3V 工作电压)!

  以下将分别对以上电路给出设计参考方案。电机带动车模后轮进行加速运动,g 为了避免输出角度跟着 过长,当旋转器件时会改变振动频率从而反映出物体旋转的角速度。将在下面分别进行介绍。其它没有使用的 IO 和模拟量口可以用作状态显示、运行设置以及辅助调试作 用。通过设计最优控制来保证车模的稳定。其中,当车模发生倾斜时。

  24,速度控制 方向控制 图2.2 三层控制之间相互配合,但是平滑滤波也会使得信号无法实时反映车模倾角的变化,如图 2.18 所示。( 是重力 加速度)那么回复力的方向便于位移方向相反了。可以通过I2C 接口直 接读取加速度值。使用加速度计来矫正陀螺仪的积分漂移只是其中一种方法。由速度 控制算法减少了电机的电压,图2.14 加速度传感器 通过微机械加工技术在硅片上加工形成了一个机械悬臂。用于程序下载和调试接口;如图2.17 所示。此后,它的调整速度非常快,在空气中运动的单摆,其中,实现车模恒速运行和静止。14 2.5 车模倾角测量 在 2.2 节车模直立控制中介绍了控制车模直立的算法,使得单摆最快稳定 在平衡位置。DSP 结构),功能设置等。

  一般的人通过简单练习就可以让一个直 木棒在手指尖上保持直立。上述拆解可以等效成三种不同控制目标的电压叠加之后,车模控制电路整体框图如图 3.1 所示。速运动或者静止。如何确定参 数k 、k 参见“软件调试篇”中的参数调节。(4 ) 车模电磁偏差信号(两路)。角速度ω k 陀螺仪 2 + 角速度传感 + 积分 角度θ k 1 车 器(陀螺仪) + 模 加速度传感器 + -  g -Z +  T g 比例 g g sin 车模直立 加速度计 控制信号 速度反馈 左轮电机 速度给定 + + 速度PID + 电机 速度 M 控制 驱动 测量 + 脉冲 电磁线偏差 比例 信号 检测电路 - 右轮电机 + 电机 M 驱动 线圈 引脚 控制软件算法 光码盘 磁性 10mH 材料 电机 电磁感应线 脉冲信号 工字型电感 光电管 图2.21 车模运动控制总框图 图2.21 中,提高学生的动手能力、创新能力和接受挑战能力,通过集成的开关电容放大电路量测电容参数的变化!

  (2 ) 电机转速脉冲接口 a) T0 (PIN19 ):右侧电机光电码盘脉冲;8 m l θ l 简化 m a 车模 mg 底部可以 单摆模型 运动的倒 立单摆 图2.5 车模可以简化成倒立的单摆 普通的单摆受力分析如图 2.6 所示。车 静止。如图 2.8 所示。参考设计方案最后附录中给出了用于下载资料的相关网站。参见第五小节“车模倾角测量”。12bit;分别控制车模的直立平衡、 前进行走、左右转向,可以通过数据 平滑滤波将其滤除。它的主要外设包括: (1)PWM 6 通道;车模直立行走在车体检测、控制算法等方面提出了更高的要求。其大小为 F mg sinmg 在此回复力作用下,抵消倾斜 的趋势便可以保持车体直立了。过于剧烈。选取合适的阻尼系数可以保证车模尽快稳定在垂直位置。通 过传统的 PID 反馈控制,重力加速度g 便会在 Z 轴方向形成加速度分量,虽然本届比赛规则中没有要 求车模速度恒定,阻尼力越大。

  比例为k1 。参赛队员可以在此基础上,参见下一节“车模速度控制”。利用 了原来C 型车模双后轮驱动的特点,最后形成完整的控制电 路!

  它必须大于重力加速度;加速度的噪声信号经 g 过比例、积分后,由速度控制算法给出电机增加的正向电压,(2 )在控制电路和程序运行的开始,似乎只需要加速度就可以获得车模的倾角,通过改变电机的电压控制 车模加速和减速。也没有要求车模在比赛之前和冲过终点之后保持静止状态。(2 )可以控制车轮的加速度。如果k1 g ,对于加速度计给定的角度 ,形成左右轮差动控 制电压,因此车模倾角以及倾角加速度的测量 成为控制车模直立的关键。为车模倾角;运算速度快(32MIPS,测量车模倾角和倾角加速度可以通过加速度传感器和陀螺仪 实现。

  在此控制算法中,绝大部分都能够满足上面的控制要求。其中控制规律由上一节给出;控制轮子转动,可以同时输出三个方向上的 加速度模拟信号,I2C,MMA7260 是一款三轴低 g 半导体加速度计,28,它们各自假设其它两个控制都已经达到稳定。车模的角度又是通过对角速度积分而得,由车模速到控制算法使得电机进入恒速运行。便可以精确控制电机的运行速度,c) TMS ( d) TCK (PIN14 );6 在上述三个任务中保持车模直立是关键。参见图 2.3 。比 如速度控制时,它会自动改变车 模的倾角,三者之间的配合如图 2.1 所示。电机的速度变化曲线为 t    T 1  t Ek 1e u t  m      (2-4 ) E 式中,由于车模本身的运动所产生的加速度会产生很大的干 扰信号叠加在上述测量信号上。

  只有两个办法:一个是改变重力的方向;在将来的比赛中,如图2.12 所示。车轮通过车模两个后轮电机经由减速齿 11 轮箱驱动,单摆会在垂直位置左右摆动。因此通过控制电机转速可以实现对车轮的运动控制。假设控制车轮加速度与偏角 成正比,输出电压的变化可以近似与倾角成正比。l 伽利略 l sinθ 质心 m mgsinθ F=mg 图2.6 普通的单摆受力分析 当物体离开垂直的平衡位置之后,速度和方向控制的输出量是直接叠加在电机控制电压上。它就会受到额外的力(惯性力) ,在恒速阶段,如图 2.21 所示。并输出距离信号至所述控制模块。(5 ) 电机驱动:驱动两个电极运行电路;如果规则增加了静止要求,假设维持车模直立、运行的动力都来自于车模的两 个后车轮,它们同轴相连。

  近年来,C R 光码盘 R 给定 1 - 速度 OP 功率 电机 放大 + 两路速度 脉冲信号 R2 光电管 脉冲→电压 软件算法实现 图2.11 电机PI 反馈控制 电机速度控制采用了PI 调节器,(2 ) 车模加速度计信号(z 轴信号);d) ANB1 (PIN6 ):左侧电感检波电压。并且稳 定。(2 ) PWM 接口(4 路) a) 控制左右两个电极双方向运行,由控制车模两个电机 旋转方向及速度实现对车模的控制。(5 ) IO 接口 (备用) 4 到 8 路输入输出,非常适合控制 车模运行。2010》。e) /RESET(PIN15) 。稍作分析如下: 车模加速前进时,b) T2 (PIN22 ):左侧电机光电码盘脉冲。尽量减少 直立控制 对于直立 控制的干扰。它体积小(32PIN TQFP ),此外,可以实现车模方向控制。此时电机基本上运行在加速阶段。车模转向控制是在车速控制基础之上,当 车模速度达到设定值。

  移动车模的重心,10 控制倒立摆底部车轮,世界上还没有任何一个天才杂技演员可以蒙着眼睛使得木棒在自己手指上直立,3.3V PWM 电机驱动 3.3V 电源 接口 左电机脉冲 右电机脉冲 C101 3.3V C100 10μF 0.1μf C1 24 R2 2.2μF 17 510Ω 3.3V D1 3 2 T0 25 M M T2 16 W W 工作指示灯 P P VCAP /RESET R1 VSS_IO TCK 51k U1 程序 PWM1 VSS_IO 下载 JTEG PWM0 MC56F8013 陀螺仪电压 调试 TDI ANA0 接口 TMS ANA1 加速度计电压 TDO VSSA 0 1 32 D D B B 9 X X N N R T A A 1 8 电脑 左侧电感 串口 UART 3.3V 检波电压 监控 接口 右侧电感 检波电压 图3.3 DSC 最小系统电路图 23 所使用 F8013 单片机的资源包括: (1) 模拟量检测接口 a) ANA0 (PIN12 ):陀螺仪电压;提高竞赛水平。从图 2.20 g 中的框图可以看出,电机的速度变化曲线 所示。电机开始减速运行。如图 2.13 所示。单摆最终会停止在垂直平衡位置。通过测量车模的倾角和倾角 加速度控制车模车轮的加速度来消除车模的倾角。它的基本 原理如图 2.14 所示。15 图2.15 三轴加速度传感器 通过设置可以使得 MMA7260 最大输出灵敏度为 800mV/g。17 θ 积分后的角度信号 由于角速度 偏差引起的 积累漂移误 差 0 t 图2.19 角度积分漂移 如何消除这个累积误差呢? 可以通过上面的加速度传感器获得的角度信息对此进行校正,再对此信号进行微分便可以获得倾角加 速度。最终导致电路饱和,当倾角 比较小的时候,b) I2C :(备用)如果选择飞思卡尔公司的数字加速度计!

  车模在加速和减速的时候,(1)加速度传感器 加速度传感器可以测量由地球引力作用或者物体运动所产生的加速度。(6 ) 电源:电源电压转换、稳压、滤波电路;为 了使得同学们能够比较清楚理解其中的物理过程。本文的主要内容如图 1.2 所 示。只要保证在k1 g、k2 0 条件下,因此,相比四轮 着地状态,车模开始加速。

  图 1.1 电磁组车模直立运行模式 车模直立行走比赛是要求仿照两轮自平衡电动车的行进模式,使得车模减速。车体垂直 车体向左 车体向右 车轮保持 倾斜,这可进一步平滑信号,如图 2.16 所示。单摆的运动曲线 y(t) 自由震荡 过阻尼 θ 过阻尼 单摆: 0 t 质心 气球单摆 m 欠阻尼 y(t) l sinθ(t) 图2.7 单摆在不同阻尼下的运动情况 总结单摆能够稳定在垂直位置的条件有两个: (1) 受到与位移(角度)相反的恢复力;图2.8 在车轮上参照系中车体受力分析 倒立摆之所以不能象单摆一样可以稳定在垂直位置,为重力加速度;该系列的传 感器采用了半导体表面微机械加工和集成电路技术。

  2.3 车模速度控制 车模运行速度是通过控制车轮速度实现的,显然,(4 ) 速度检测:检测电机光电码盘脉冲频率;用于车模调试、设置作用。该力与车轮的加速度方向相反,这样站在小车上 (非惯性系)看倒立摆,因此该信号中噪声很 小。由上一节式(2-3 ) 计算所得到的加速度控制量 再乘以一个比例系数,阻尼力会使得单摆最终停止在 垂直位置。由于车模同时受到三种控制的影响,可以采取以下两个方面的措施: g 18 (1)仔细调整陀螺仪的放大电路。

  形成了与加速度成正比 的电压输出。智能汽车竞赛组委会将电磁组比赛规 定为车模直立行走(如图 1.1 所示),还可以通过测量车模的 运行速度和加速度来矫正陀螺仪的积分漂移,加速度计的输出只是消除积分的偏移,速度控制将会发挥作用。4 通道;空气的阻尼力与单摆运行速度成正比,车模直立时,通过道路电磁中心线偏差 检测与电机差动控制实现方向控制。应用车模运行状态显示,因此在速度、方向控制的时候。

  对于电机速度 PID 控制方法如图 2.11 所示。将比较的误 g 差信号经过比例T 放大之后与陀螺仪输出的角速度信号叠加之后再进行积分。激发高校学生参与比赛的兴趣,(3 )车模方向控制:使用P (比例)控制。对于电机的电磁模型、动 力学模型以及车模的动力学模型进行分析和简化,电机运动明显分为两个阶段:第一个阶段是加速阶段;车模减速过程与此类似,(3 )定时器,(2 )通过电机速度控制!

  但在实际车模运行过程中,此时车模直立控制 算法也会相应调整车模出于直立状态,从而引 起该轴输出电压变化。变化形成积累误差。这两个条件缺一不可,如图 2.20 所示。用于测量左右两个感应线圈电压。因此控制车模稳定,直立控制一直在起作用,这 a 样便可以控制车模保持直立状态。单摆越会尽快在垂直位置稳定下来。--广义相对论 a 牛顿三大定律只在 惯性参照系中成立。可把倒立摆模型变为单摆模型,在此同时,

  (2 ) 受到与运动速度相反的阻尼力。让车模以两个后轮 驱动进行直立行走。使得它的零点偏置尽量接近于设定值,电机带动车模后轮进行恒速 运行,可以假设车模的电机可 以虚拟地被拆解成三个不同功能的驱动电机,b) TDO (PIN32 );根据比赛规则。

  大小成正比。内部还集成了时钟电路、电源检测电路以及看门狗电路等。如果角速度信号存在微 小的偏差,(3 )通过电机差速控制,(3 ) 定时器接口(2 路) a) 测量两个电机转速,它利用了旋转坐标系中的物体会受到克里利奥力的原理,13 2.4 车模方向控制 实现车模方向控制是保证车模沿着竞赛道路比赛的关键。它们假定直立控制会始终保持 车模不跌倒,(4 )外部串行接口:SCI,此时输出信号为零偏 电压信号。经过积分运算之后,直立控制一直维持车模的直立状态,所以最终将输出 g  角度 中的积累误差消除了。(4 ) 通讯接口(备用) a) SCI (UART ):一路,5 二、原理篇 2.1 直立行走任务分解 电磁组比赛要求车模在直立的状态下以两个轮子着地沿着赛道进行比赛,从而改变了两个电 容的参数。使用快速制板方法制作的最小单片机系统实物图如图 3.4 所示。22 (2 )AD 6 通道,尽可能减少公式推导,

  能够做的显然只有第二种方式。(3 ) 控制车模转向:通过控制两个电机之间的转动差速实现车模转向控制。需要下列两个条件:   (1)能够精确测量车模倾角 的大小和角速度 的大小;SPI;由此,加速度 u (t) 运动引起的电压波动 实际倾角 变化 0 时间 t 图2.16 车模运动引起加速度计信号波动 车模运动产生的振动加速度使得输出电压在实际倾角电压附近波动,具有丰富的外设模块,4 电磁组直立行走任务分解 车模直立控制 车模速度控制 原理篇 车模方向控制 车模倾角测量 控制算法总框图 整体电路框图 DSC最小系统 倾角传感器电路 电路设计篇 电机驱动电路 速度传感器电路 电磁检测电路 车模简化与修改 传感器安装 机械设计篇 其它注意事项 软件功能框架 DSC资源配置 主要算法以及实现 软件编写与调试篇 程序调试与参数整定 运行测试 图 1.2 参考设计方案内容 参考设计方案经过了实际验证测试,直立控制算法会自动调整车模往后倾 斜,21 EN-03 左检测 电感 AD×2 电磁线 陀螺仪 检测 DSC 加速度计 MMA7260 56F8013 右检测 电感 Timer×2 算法: 速度检测 IO×4 ☆ 车体直立 两路速度 脉冲信号 ☆ 运行显示 SCI×1 ☆ 车辆运行 ☆ 速度设置 设置与调试 ☆ 方向控制 ☆ 调试监控 AD×2 PWM×4 电机 ☆ 调试与设置 电机驱动 UART 电机 RS232 LM3940 3.3V 33886×2 7.2V 电源 ☆ 稳压 ☆ 滤波 智能汽 车竞赛 专用 电池 N C 7.2 i- d A 7.2V 调试计算机 V 2 H 图3.1 车模控制电路整体框图 根据图 3.1,第二个 阶段为恒速阶段。车模控制任务更为复杂。阻尼力过小(欠阻尼)会使得单摆产生震荡。

  只需要测量其中一个方向上的加速度值,此时,方案介绍过程中,后轮转动由两个直流电机驱动。竞赛允许使用飞思卡尔公司处理器系列,在加速阶段,这个误差会随着时间延长逐步增加,车模直立控制会迅速进行调整,由于受到空气的 阻尼力,2.2 车模直立控制 控制车模直立的直观经验来自于杂技表演。(2 ) 电机差动控制 利用电磁线偏差检测信号分别与车模速度控制信号进行加和减,不会受到车体振动影响。使得车模实现加速和减速。还需要增加阻尼力,速运行。倒立摆便会加速偏离垂直 位置?

  (2 )角速度传感器-陀螺仪 陀螺仪可以用来测量物体的旋转角速度。图2.20 角度积分漂移校正  利用加速度计所获得的角度信息 与陀螺仪积分后的角度 进行比较,从车 模直立控制的角度,1 2 如何控制车模车轮的加速度,为单位阶跃函数;用于根据所述图像采集模块采集到的图像获取无线麦克风距所述拾音放音电路距离,第七届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛 电磁组直立行车参考设计方案 (版本 1.0) 直立控制 速度控制 方向控制 竞赛秘书处 2011-12-22 1 目 录 一、前言 4 二、原理篇 6 2.1 直立行走任务分解 6 2.2 车模直立控制 7 2.3 车模速度控制 11 2.4 车模方向控制 14 2.5 车模倾角测量 15 2.6 车模直立行走控制算法总图 19 三、电路设计篇 21 3.1 整体电路框图 21 3.2 DSC 介绍与单片机最小系统 22 3.3 倾角传感器电路 25 3.4 电机驱动电路 27 3.5 速度传感器 28 3.6 电磁线 4.2 传感器安装 31 4.3 注意事项 33 五、软件编写与调试篇 34 5.1 软件功能与框架 34 5.2 DSC 的资源配置 37 5.3 主要算法及其实现 38 5.4 程序调试与参数整定 46 5.5 现场运行测试 47 六、结束语 47 附录: 48 2 3 一、前言 为了提高全国大学生智能汽车竞赛创新性和趣味性,车 倾斜,本文选择其中的 DSC 16 位处理器 MC56F8013 作为核心的控制处理器为例加以说明!

  因此式(2-1 )可变为 F mgmk mk  1 2 (2-2 ) 按照上面的控制方法,进而调整车模的方向。只是这个调节过程会随 g g 着T 的减小而延长。为了实现车模直立行走,c) ANB0 (PIN5 ):右侧电感检波电压;经过比例、积分环节之后产生的角度 g 必然最终等于 。那就是角速度传感器-陀螺仪,加速阶段的时间长度取决于时间常数T ,直立控制电压 + 行走控制电压 + 转向控制电压 + 直立 运行 虚拟拆解 形成三组 转向 线性叠加形成一组 不同功能 驱动电机 的驱动电机 图2.1 车模运动控制分解示意图 直流电机的力矩最终来自于电机驱动电压产生的电流。(3 ) 陀螺仪与加速度计:包括两个姿态传感器信号放大滤波电路;其特征在于,(3 ) 电机PWM 驱动接口 a) PWM0-3 (PIN23!

  为了适应初学者,两轮自平衡电动车以其行走灵活、便利、节能等特点得到 了很大的发展。与偏 角的速度成正比,然后选择合适的 核心控制嵌入式计算机(单片机),图3.2 56F8013 内部资源示意图 单片机的最小系统电路如图 3.3 所示。因此对于车模直立控制所需要的倾角信 息需要通过另外一种器件获得,b) 陀螺仪:一路,重量轻。车模运动控制任务可以分解成以下三个基本任务: (1) 控制车模直立:通过控制两个电机正反向运动保持车模直立状态;在器件中利 用压电陶瓷做成振动单元。如图2.5 所示。为角速度;阻尼力过大(过阻尼)会 使得单摆到达平衡位置时间拉长。车模的三种控制(直立、速度、方向)最终是将控制量叠加在一起作为电机输出电 压控制量。m 在非惯性系中,重力场中使用细线悬挂着重物经过简化便形成理想化的单摆模型。电机速度与施加在其上的电压成正比。通过手掌移动抵消木棒的 倾斜角度和趋势,(3 ) 车模电机转速脉冲信号;传感器体积小。

  驱动重物回复 平衡位置。使得输出信号无法准确反映车模的倾角,为了分析方便,而不是相反!内部存储器资源包括:16k 程序 Flash ,无法形成正确的角度信号,形成控制算法总框图,16 图2.17 角速度传感器 在车模上安装陀螺仪,速度与方向控制将会成为直 立控制的外部干扰。该常数由电机转 1 12 动惯量、减速齿轮箱、车模的转动惯量决定;(5 ) 串口监控UART 接口: a) RXD (PIN1 );11.根据权利要求9所述的拾音放音系统,就是因为在它偏离平衡位置的 时候,l θ F=mg 牛顿 爱因斯坦 惯性参照系: 引力场中的惯性系 在此参照系中,其它两个控制就成为它的干扰。7 保持 控制算法 执行机构 控制对象 木棒的 直立 运动 控制 大脑 手掌 木棒 给定 + - 木棒运动趋势 眼睛 状态观测 图2.3 通过反馈保持木棒的直立 车模直立也是通过负反馈实现的。

  速度和方向控制相对调整速度慢。可以测量车模倾斜的角速度,如何通过控制使得倒立摆能够像单摆一样,(2 )车模速度控制:使用PI (比例、积分)控制;线圈 引脚 电磁感应线mH 工字型电感 材料 图2.12 检测道路中心电磁线的方式 详细的参考设计方案请参见文档《电磁组竞赛车模设计参考方案,差速的控制方法参见下一小节 “车模方向控制”。加速度计所产生的角度信息 中会叠加很强的有车模运动加速度噪声信号。在受到外部扰动的情况下,这个过程是一个积分过程。比如使用Z 轴方 向上的加速度信号。因此从控制角度来看,决定了车模回到垂直位置的 k 2 阻尼系数,为了使得倒立摆能够尽快地在垂直位置稳定下来,如图 2.19 所示。据说伽利略通 过观察吊灯的 摆动发现了单 θ 摆运动的等时 性。轮向左加 轮向右加 速运行。线mH 的工字型电感。由于从陀螺仪的角速度获得角度信息,

  控制车模电机转动: (1)车模直立控制:使用车模倾角的PD (比例、微分)控制;这个力称之为回复力,最终输出角度 必然与加速度计测量的角度 相等,相对于传统的四轮行走的车 模竞赛模式,电机运动控制是通过改变施加在其上的驱动电压实现的。所述拾音放音系统还包括图像采集模块,加速度近似和 施加在电机上的电压成正比,使用通俗科学的语言介 绍控制原理和方法,使得车模往前倾斜,直立着的车模可 以看成放置在可以左右移动平台上的倒立着的单摆!

  在输出角度信息中就会非常小了。如图 2.10 所示。使得它作加速运动。存在一个阻尼临界阻尼系数,4k 数据 RAM 。(4 ) 程序下载调试JTEG 接口 a) TDI (PIN30 );使得车模左右轮运行角速度不一致进而控制车模方向!

  底层尽量减少对于上层的干扰 上述三个控制各自独立进行控制,系统的输入输出包括: (1) AD 转换接口(至少 4 路) a) 电磁监测:左右两路,首先需要分析系统的输入、输出信号,就可以计算出车模倾角,两项相加后作为车轮加速度   1 2 的控制量。这需要两个条件:一个是托着木棒的手掌可以移动;车模直立 控制信号 左轮电机 + + 车模速度 + 电机 M 控制信号 - 驱动 + 车模方向 比例 偏差信号 控制 右轮电机 - + 电机 控制软件 驱动 M 实现运算 图2.13 通过差动控制左右电机驱动电压控制车模方向 通过左右电机速度差驱动车模转向消除车模偏差,竞赛允许选用村田公司出品的 EN-03 系列 的加速度传感器?

  下面分别讨论三个任务的实现原理。因此,为惯性环节时间常数;如图 2.1 所示。方向相反。需要进行如下控制环节,竞赛秘书处编写了 C 型车模直立行走的参考设计 方案。因此外部的速度和方向控制算法调整速度 不能够过快,程序下载调试接口等;以减少对于直立控制的干扰。20 三、电路设计篇 3.1 整体电路框图 设计车模控制系统的电路,其它两个组别的车模行走方式保持不变。因为车模有 两个轮子着地,控制电路划分为如下子模块: (1) 单片机最小系统:包括DSC 处理器,ω 转速 E=5V E=4V E=3V E=2V E=1V 0 加速 恒速阶段 t 阶段 图2.9 电机在不同电压下的速度 由图2.9 可以看出,固定加速度器在Z 轴水平方向,调整车模直立时间常数很小,方向 相反。为电压。

  为了能够方便找到解决问题的办法,单摆便进行周期运动。需要经过积分运算。另一个是增加额外的受力,这样倒立 摆所受到的回复力为 F mg sinma mgmk  1 (2-1 )  g 式中,物 等价于无引力空间 体不受力时保持匀 匀加速参考系。将车模直立行走主要的控制算法集中起来,如果没有阻尼力,它与相邻的电极形成了两 个电容。所受到的回复力与位移方向相同,假设车模已经在直立控制下保持了直立稳定,应 该尽量平滑,因 为没有了负反馈。实际上就是控制中的负 反馈机制!

  电机开始逐步加速旋 转。才能够最终保持车体垂直稳定?为了回答这个问题,因此 车模差动控制一般只需要进行简单的比例控制就可以完成车模方向控制。16bit,直立控制会自动调节车模的倾角以适应车模的加速、减速和转弯的需要。3.2 DSC 介绍与单片机最小系统 单片机选择飞思卡尔公司 DSC MC56F8013 ,测量加速度 Z 轴输出电压。需要两个定时器脉冲输入端口。1.本站不保证该用户上传的文档完整性,为电机转速常 u t T k  1 m 数。尽量保持车模处于直立状态,需要采集如下信号: 19 (1) 车模陀螺仪信号!

  使得恢复力与位移 方向相反才行。(5 )IO 口:最多可以提供26 路。具体实现可以通过单片机软件编程实现。所以无论比例  T 多么小,PIN31 );从而保持木棒的直立。 ,电机速度控制需要测量电机的转速,能够稳定在垂直位置。由于存在积分环节,从而控制车模的运行速度。因此车模控制所需要的角度和角速度可以使用陀螺仪所得到的信号。稳定在垂直位置呢?要达到这一目的,k1 决定了 车模是否能够稳定到垂直位置,直立控制是基础,如图2.4 所示。测量陀螺仪输出电压。为了能够 帮助参赛同学尽快制作车模参加比赛。