新版電磁組直立行車設(shè)計(jì)方案

一、引言

電磁組直立行車比賽要求車模在直立狀態(tài)下以兩個(gè)輪子著地沿著賽道進(jìn)行比賽，相比四輪著地狀態(tài)，車模的控制任務(wù)更為復(fù)雜。為了設(shè)計(jì)一款性能優(yōu)越、穩(wěn)定可靠的直立行車。

二、整體控制策略

小車的控制模塊主要由主控芯片最小系統(tǒng)、電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、加速度計(jì)、陀螺儀、編碼器、電磁檢測(cè)以及調(diào)試接口等模塊組成。

1. 道路識(shí)別：主要通過AD采集電磁傳感模塊的信號(hào)輸出量，通過信號(hào)處理計(jì)算出位置偏差，進(jìn)一步進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制。

2. 姿態(tài)檢測(cè)：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)通過采集加速度計(jì)和陀螺儀的輸出信號(hào)，通過濾波得到小車當(dāng)前的姿態(tài)，計(jì)算出角度偏差。

3. 速度檢測(cè)：編碼器通過正交解碼獲得兩個(gè)車輪的速度信號(hào)，并計(jì)算出速度偏差。

在控制策略上，直立控制和速度控制采用的是串級(jí)PID控制，最終將各閉環(huán)的PID調(diào)節(jié)線性疊加，把控制輸出量在算法中線性疊加后，通過電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)平衡、速度和轉(zhuǎn)向控制三個(gè)功能。

小車加入了調(diào)試接口，方便參數(shù)的調(diào)節(jié)，并且為了方便智能車運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)的采集，加入了藍(lán)牙模塊，進(jìn)而可以通過上位機(jī)顯示，可視化小車運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)信息。

三、主控芯片型號(hào)及其在設(shè)計(jì)中的作用

目前市面上適用于智能車電磁組的芯片種類繁多，但以下幾款已經(jīng)被廣泛應(yīng)用且性能穩(wěn)定，可以作為參考：

1. L298芯片

   型號(hào)：L298

   作用：L298是一款雙全橋驅(qū)動(dòng)芯片，可以接受高達(dá)46V的功率輸入，并具有高電流能力和低飽和電壓，非常適合用于智能車電磁組。該芯片支持四種工作模式：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、剎車和停止，并且可以通過接收PWM信號(hào)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的特點(diǎn)是成本比較低，控制穩(wěn)定可靠。

   應(yīng)用：在電磁組直立行車的設(shè)計(jì)中，L298芯片用于驅(qū)動(dòng)車模的兩個(gè)后車輪電機(jī)，通過接收主控芯片發(fā)出的PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制。同時(shí)，通過控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和剎車，實(shí)現(xiàn)車模的直立控制、速度控制和轉(zhuǎn)向控制。

2. L293D芯片

   型號(hào)：L293D

   作用：L293D也是一款雙全橋驅(qū)動(dòng)芯片，與L298芯片相似，但輸入電壓范圍較小，只能在4.5V到36V之間。該芯片驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)時(shí)最大工作電流可達(dá)600mA，適合用于小型智能小車。L293D芯片只有兩種工作模式：正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，不能支持剎車和停止特性。不過，這款芯片具有低功耗和低噪聲的特點(diǎn)。

   應(yīng)用：雖然L293D芯片在功能上沒有L298全面，但在一些小型或低功耗的電磁組直立行車設(shè)計(jì)中，L293D仍然是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。通過接收主控芯片發(fā)出的控制信號(hào)，L293D芯片可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向的精確控制。

3. DRV8871芯片

   型號(hào)：DRV8871

   作用：DRV8871是一款單全橋驅(qū)動(dòng)器，輸入電壓范圍為6V到45V之間。該芯片不僅具有高達(dá)3.6A的最大輸出電流，而且可以提供PWM調(diào)節(jié)，支持多種電機(jī)類型。DRV8871芯片特別適合用于需要高效率和低損耗的智能小車。由于它的輸出能力較高，所以在實(shí)際應(yīng)用中可能需要外接散熱器。

   應(yīng)用：在電磁組直立行車的設(shè)計(jì)中，DRV8871芯片可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的高效驅(qū)動(dòng)。通過接收主控芯片發(fā)出的PWM信號(hào)，DRV8871芯片可以精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。同時(shí)，由于其高效率和低損耗的特點(diǎn)，可以顯著提高車模的續(xù)航能力。

4. KEA128最小系統(tǒng)

   型號(hào)：KEA128

   作用：KEA128是一款高性能的單片機(jī)，具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和豐富的外設(shè)接口。在電磁組直立行車的設(shè)計(jì)中，KEA128作為主控芯片，負(fù)責(zé)采集加速度計(jì)、陀螺儀和編碼器的輸出信號(hào)，通過濾波和計(jì)算得到小車當(dāng)前的姿態(tài)和速度信息。同時(shí)，KEA128還負(fù)責(zé)接收電磁傳感模塊的信號(hào)，進(jìn)行道路識(shí)別。最后，KEA128根據(jù)采集到的信息，通過PID控制算法，計(jì)算出控制電機(jī)的輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車模的直立控制、速度控制和轉(zhuǎn)向控制。

   應(yīng)用：KEA128作為主控芯片，在電磁組直立行車的設(shè)計(jì)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它不僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理，還負(fù)責(zé)控制信號(hào)的輸出和調(diào)節(jié)。通過精確的PID控制算法，KEA128可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車模的精確控制，使車模在比賽中保持穩(wěn)定的直立狀態(tài)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定的行駛。

四、直立車平衡控制原理

在討論直立車的平衡原理之前，首先引入單擺模型。理想的單擺模型就是在重力場(chǎng)中使用細(xì)線懸掛重物，而直立的車模可以看成放置在左右移動(dòng)的平臺(tái)上的倒立的單擺。

1. 單擺模型：在重力場(chǎng)中使用細(xì)線懸掛著重物，當(dāng)物體離開垂直的平衡位置之后，便會(huì)受到重力與懸線的作用合力，驅(qū)動(dòng)重物回復(fù)平衡位置。這個(gè)力稱之為回復(fù)力。

2. 倒立擺模型：直立的車模可以看成放置在左右移動(dòng)的平臺(tái)上的倒立的單擺。當(dāng)車模偏離平衡位置時(shí)，所受到的回復(fù)力與位移方向相同，而不是相反，因此車模會(huì)加速偏離垂直位置，直到倒下。

3. 控制原理：為了達(dá)到穩(wěn)定直立的目的，需要控制車模底部車輪的加速度，使得回復(fù)力的方向與位移方向相反。控制算法可以表示為：a = k1θ + k2θ'，其中a為車輪加速度，θ為車模偏角，k1和k2為控制參數(shù)。通過調(diào)節(jié)k1和k2的值，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車模的平衡控制。

4. PID控制：在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用PID控制算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)車模的平衡控制。PID控制算法根據(jù)車模當(dāng)前的偏角、偏角速度和偏角加速度等信息，計(jì)算出控制輸出量，通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)對(duì)車模的平衡控制。

五、硬件設(shè)計(jì)

1. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：采用L298、L293D或DRV8871等芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向的精確控制。

2. 姿態(tài)檢測(cè)模塊：采用加速度計(jì)和陀螺儀作為姿態(tài)檢測(cè)模塊，采集小車當(dāng)前的姿態(tài)信息。

3. 速度檢測(cè)模塊：采用編碼器作為速度檢測(cè)模塊，采集車輪的速度信息。

4. 電磁檢測(cè)模塊：采用電磁傳感器作為電磁檢測(cè)模塊，采集賽道上的電磁信號(hào)，進(jìn)行道路識(shí)別。

5. 電源模塊：采用穩(wěn)定的電源模塊，為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓和電流。

六、軟件設(shè)計(jì)

1. 初始化：在軟件設(shè)計(jì)中，首先需要對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、姿態(tài)檢測(cè)模塊、速度檢測(cè)模塊和電磁檢測(cè)模塊等。

2. 數(shù)據(jù)采集：通過采集加速度計(jì)、陀螺儀和編碼器的輸出信號(hào)，得到小車當(dāng)前的姿態(tài)和速度信息。同時(shí)，通過采集電磁傳感模塊的信號(hào)，進(jìn)行道路識(shí)別。

3. 控制算法：采用PID控制算法，根據(jù)采集到的信息，計(jì)算出控制電機(jī)的輸出信號(hào)。通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)對(duì)車模的直立控制、速度控制和轉(zhuǎn)向控制。

4. 調(diào)試接口：為了方便參數(shù)的調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)的采集，設(shè)計(jì)了調(diào)試接口。通過調(diào)試接口，可以方便地修改控制參數(shù)，并實(shí)時(shí)采集和顯示小車運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)信息。

5. 藍(lán)牙模塊：為了方便數(shù)據(jù)的傳輸和顯示，設(shè)計(jì)了藍(lán)牙模塊。通過藍(lán)牙模塊，可以將小車運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示和分析。

七、實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)與測(cè)試階段，需要對(duì)電磁組直立行車進(jìn)行多次調(diào)試和測(cè)試，以確保其性能穩(wěn)定可靠。

1. 靜態(tài)測(cè)試：在靜態(tài)測(cè)試階段，需要測(cè)試車模在靜止?fàn)顟B(tài)下的平衡能力。通過調(diào)整控制參數(shù)，使車模能夠在靜止?fàn)顟B(tài)下保持穩(wěn)定的直立狀態(tài)。

2. 動(dòng)態(tài)測(cè)試：在動(dòng)態(tài)測(cè)試階段，需要測(cè)試車模在行駛過程中的平衡能力和速度穩(wěn)定性。通過調(diào)整控制參數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速，使車模能夠在賽道上保持穩(wěn)定的直立狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定的行駛。

3. 比賽測(cè)試：在比賽測(cè)試階段，需要模擬比賽環(huán)境，對(duì)車模進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。通過測(cè)試，可以檢驗(yàn)車模在比賽中的性能和穩(wěn)定性，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和調(diào)整。

八、結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了新版電磁組直立行車的設(shè)計(jì)方案，包括整體控制策略、主控芯片的選擇及其在設(shè)計(jì)中的作用、直立車平衡控制原理、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)與測(cè)試等方面。通過精確的PID控制算法和高效的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車模的精確控制，使車模在比賽中保持穩(wěn)定的直立狀態(tài)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定的行駛。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，為電磁組直立行車比賽提供了一種有效的解決方案。