小车走跷跷板设计报告(设计思路与硬件及程序实现详解)

小车走跷跷板设计报告

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。

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。

二、硬件部分：

本试验的硬件部分主要是三个部分：

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：

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。


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2018-10-24 00:04 上传

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