小車走蹺蹺板設計報告

一、設計思路：

對于題目要求，最重要的是制作對于角度的傳感器。我們沒有使用市場上提供的水銀傳感起或者更高級的角度傳感器，而是利用小球及軌道自己實現了一個簡易的平衡儀。

平衡儀的原理是利用小球的慣性，當小車構成某個角度的傾斜的時候，小球因為慣性達到軌道一端，再使用適當的位置傳感器，轉換為電信號輸出給單片機。

單片機收到信號并作確認后，調動電機對小車位置進行調整。故小車在蹺蹺板上反復調整位置，逼近平衡點，直至軌道相對水平，即小車到達平衡點。

具體機械和傳感器部分實現，可見下面小節。

二、機械部分：

機械和光電部分：這部分有2個器件，分別為小車提供平衡的信息和走直線的信息。

方案1：如右圖所示，利用金屬球使得兩個金屬片直接導通，再配以輔助電路實現信號的傳遞。經過初步的實驗，這一方案就被否決掉了，原因有二：1，收到導軌的限制，小球很難同時接觸到兩個金屬片；2，無法做到小球和金屬片直接的非彈性碰撞，信號不穩定。為了解決這兩個問題，我們設計了第二種方案。

方案2：軌道采用了4片金屬片組成，在軌道中間部分涂上絕緣的涂層（膠水），當小球在左邊或右邊的時候兩片金屬就處于穩定的導通狀態，這樣就解決了方案1的兩個問題。在實際制作中采用的是可樂罐的皮，最后測試時發現有嚴重的接觸不良的問題（猜測是鋁氧化層的關系，如果是鐵片的話應該就可以了）。在已經有軌道的基礎上，我們設計了第三種方案。

方案3：采用發光二極管和光敏二極管對來傳遞小球的位置信號，當小球擋住光線時，光敏二極管為高阻，沒擋住時為低阻，配以判決電路完成信號的轉換和傳遞。最后實現的是這個方案。

二、硬件部分：

本試驗的硬件部分主要是三個部分：

供電部分的電源為8V，直接供給電機所需。另一部分經過分壓供給光電門所需電壓。

根據光電門特性，供電需要6V即可，故根據實驗結果，串聯發光二極管，可以分壓2V。同時提供光電門供電正常指示燈。

2．光電門電路部分：

光電門部分主要電路是提供一個門限電壓判決門，如果有小球經過光電門，根據電壓變化輸出信號，反饋單片機。

具體電路如下圖所示：

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2018-10-24 00:04 上傳

四、程序部分：

1、對于小車走蹺蹺板的策略如下：

先向前開，直到過平衡點，傳感器得到的狀態信號發生改變。然后小車改變行進方向，改為向后開，并且速度慢。接著直到傳感器狀態再次改變，說明又過了平衡點，此時小車再次改變方向并減速。重復上面的過程直到小車到最低速。這部分是大致定位。

最后，小車以最低速行駛，根據傳感器的狀態決定行進方向，調整位置，每行進一定時間便停一下，使傳感器能正確表示小車狀態。經過幾次調整后停下，實現精確定位。

2、小車程序的具體實現。

程序對小車馬達的控制是由時間中斷來實現的。小車的速度與方向的調節是由調節輸出的pwm波實現。在每個時鐘中斷，輸出pwm波控制馬達，根據小車應有速度與方向決定輸出pwm信號的高低，使馬達在一定的時間內工作一段時間，停一段時間。

程序的傳感器部分也是由時間中斷實現。每隔一定時間，程序對傳感器采樣一次。由于傳感器是機械結構，導致傳感器的信號毛刺較多，故程序采用統計辦法除毛刺。統計一定時間內的采樣信號，突破門限值的狀態即為當前狀態。若沒有突破門限值的狀態，則保持原狀態不變。

程序的策略部分在根據傳感器調節速度的部分實現。通過小車所處狀態來決定下面的策略，調整速度與方向。

五、作品及結果：

綜合上述三個部分，我們完成小車作品。

    實驗結果：小車在有配重蹺蹺板上，幾乎能夠作到，一次找到平衡點。我們調整了小車精度，小車能夠作到不斷逼近平衡點位置。

    在無配重蹺蹺板上，小車也能有限次尋找平衡，并在最后亮燈提示找到平衡點。

六、實驗存在的問題：

1．蹺蹺板沒有阻尼。因為蹺蹺板很長，所以其轉動慣量特別大。在小車尋找平衡位置時，對蹺蹺板起力矩作用，引起蹺蹺板來回振蕩。

因為沒有阻尼，且轉動慣量特別大，振蕩很難停止，這個現象在加配重時尤為明顯。即使小車到達平衡位置，蹺蹺板仍然來回諧振，造成未平衡假象，誤導小車，使小車無法準確作出判斷。

解決方案：最佳解決方案是為蹺蹺板加上阻尼。在實驗室條件無法滿足，我們在程序上加上了一定的保護，對這種情況加了相關判斷，提示小車可以最終調整收斂到平衡點。

2．小車啟動加速度。小車啟動加速度很大，主要是該電機與輪子不匹配。輪子轉動存在功率門限：只有達到一定功率才能啟動小車。這使得小車無法慢速前進，在最后微調時，無法精確找到平衡位置。同時啟動加速度惡化了蹺蹺板轉動慣量問題，為其提供了力矩。

   解決方案：使用更好的車輪，或使用履帶和齒輪組替代現有車輪。限于實驗室條件和時間，在本實驗中沒有實現。


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