CN100590562C

CN100590562C - 一种智能电动车跷跷板运动平衡检测系统

Info

Publication number: CN100590562C
Application number: CN200810126414A
Authority: CN
Inventors: 张健伟
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-06-26
Filing date: 2008-06-26
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2028-06-26
Also published as: CN101436072A

Abstract

提供一种智能电动车跷跷板运动平衡检测系统，其由检测模块与车载模块组成，其中检测模块主要由红外对射管、无线发送模块与单片机89C2051构成，主要完成对跷跷板运动状态的检测，并将检测结果以无线通信方式传送给车载模块；车载模块以C8051为主控芯片，通过无线接收模块接收跷跷板的运动状态，结合实时车速与方向，经过PID算法调整，得出下一步行进的速度和方向，并将方向信号、脉冲信号发送给步进电机驱动器驱动步进电机，进而控制小车的行驶；采用色标传感器进行循迹检测，采用PWM调制控制舵机转动，进而精确调整小车姿态方向；系统使用液晶显示，用以显示小车行驶的实时数据。

Description

一种智能电动车跷跷板运动平衡检测系统

技术领域

本发明涉及一种运动平衡检测系统，具体涉及一种用于智能电动车跷跷板的运动平衡检测系统。

背景技术

随着生活水平的提高，幼儿教育所使用的玩具越来越具有趣味性、智能性，例如电动遥控小汽车、小飞机等，特别是各种各样的电动汽车很是流行。但是，现有的电动车跷跷板玩具中，不能精确地控制车辆适时前进或后退，造成使电动车不能很好地停留在跷跷板上；又由于电动车跷跷板一般缺少转向功能，导致电动车只能够朝着一个方向运动。这些，归根到底是，电动车跷跷板缺少一种与之匹配的智能电动车跷跷板运动平衡检测系统；如果能够装配上一种智能电动车跷跷板运动平衡检测系统，就可以实现智能电动车跷跷板精确运动。

因此，需要一种准确判断车辆适时前进或后退，并且具有转向功能和精确平衡功能的电动车跷跷板运动检测系统。

发明内容

为了解决上面背景技术中存在的问题，本发明提出了一种智能电动车跷跷板运动平衡检测系统，其由检测模块与车载模块组成，其中检测模块主要由红外对射管、无线发送模块与单片机89C2051构成，主要完成对跷跷板运动状态的检测，并将检测结果以无线通信方式传送给车载模块；车载模块以C8051为主控芯片，通过无线接收模块接收跷跷板的运动状态，结合实时车速与方向，经过PID算法调整，得出下一步行进的速度和方向，并将方向信号、脉冲信号发送给步进电机驱动器驱动步进电机，进而控制小车的行驶；采用色标传感器进行循迹检测，采用PWM调制控制舵机转动，进而精确调整小车姿态方向；系统使用液晶显示，用以显示小车行驶的实时数据。

优选地，采用具有128×64点阵的JRM-12864H-C液晶显示模块，可以在同屏显示多类信息。

优选地，将一排红外发射-接收对管按竖直方向立于跷跷板一端的侧面，通过对跷跷板运动过程的密集采集，得到完整的运动轨迹。

优选地，采用步进电机作为驱动。

优选地，在小车姿态控制单元中，采用舵机通过连杆控制前轮转向角度。

附图简要说明

图1是依据本发明的智能电动车跷跷板的运动平衡检测系统的系统结构示意图。

图2是智能电动车跷跷板运动平衡检测系统的工作原理示意图。

图3及4是图2中所采用的平衡检测单元的示意图。

图5和图6为智能电动车跷跷板的稳定状态。

图7是步进电机驱动模块的电路连接示意图。

图8是基本功能控制流程示意图。

图9是附加功能控制流程示意图。

图10是构成单片机的最小系统的电路。

图11是步进电机驱动示意图。

图12是色标传感器电路示意图。

图13是舵机控制单元电路示意图。

图14(a)、14(b)为可调矩形波的波形。

具体实施方式

下面参照附图，详细说明智能电动车跷跷板运动平衡检测系统及其中阿各个部分。

图1是依据本发明的智能电动车跷跷板的运动平衡检测系统的系统结构示意图。该智能电动车跷跷板运动平衡检测系统由检测模块与车载模块组成，其中检测模块主要由红外对射管、无线发送模块与单片机89C2051构成，主要完成对跷跷板运动状态的检测，并将检测结果以无线通信方式传送给车载模块。车载模块以C8051为主控芯片，通过无线接收模块接收跷跷板的运动状态，结合实时车速与方向，经过PID算法调整，得出下一步行进的速度和方向，并将方向信号、脉冲信号发送给步进电机驱动器驱动步进电机，进而控制小车的行驶。为了保证小车的行驶平稳，系统选用色标传感器进行循迹检测，采用PWM调制控制舵机转动，进而精确调整小车姿态方向。系统兼有液晶显示，用以显示小车行驶的实时数据；其中采用具有128×64点阵的JRM-12864H-C液晶显示模块，可以在同屏显示多类信息。

图2为智能电动车跷跷板运动平衡检测系统的工作原理示意图。系统以单片机为中心，以平衡检测、循迹检测、车速检测与位移检测等模块作为前端信息输入，以小车的方向、速度、姿态作为后端的控制输出。系统通过平衡检测、循迹检测模块实时地获取小车在跷跷板面上的位置信息，结合实时的车速与位移信息，通过CPU的信息整合、算法调整，从而得到小车的实时速度、方向、姿态控制信号。

更具体地，构成单片机的最小系统的电路参见图10。

参见图3及4，示出了平衡检测单元，其中将一排红外发射-接收对管按竖直方向立于跷跷板一端的侧面，通过对跷跷板运动过程的密集采集，得到完整的运动轨迹，从而保证了平衡分析的精度与实时性。检测端脱离了运动物体，从根本上保证了测量的稳定与精确。信息采集全面，便于进一步的分析计算。检测输出为开关量，节省了大量的硬件资源。

在循迹检测单元中，采用色标传感器进行轨迹检测。通过采集黑白两种颜色不同的色温，输出开关信号，进而实现轨迹检测。将红外发射-接收对管编号，依据红外发射-接收对管编号实施单片机对电机的控制。

在小车动力驱动单元中，采用步进电机作为驱动，可以对行走步长进行精确控制，其快速的启停特性，保证了小车行驶控制的准确性与灵活性。司时可以直接通过步进电机转动的脉冲数、细分度、齿轮比、轮胎周长等数据运算得当前速度和行驶路程。其中

在小车姿态控制单元中，采用舵机通过连杆控制前轮转向角度。这种方式通过改变PWM输出占空比对前轮摆动角度进行精确控制，从而精确控制小车的行进姿态方向。

更具体地，参照图5和图6，在步进电机速度设置中，设A点到C点用的时间为t(s)，速度设为v(mm/s)；路程设为s(mm)；

(t＜＝30)；细分度为angle＝α，每走一步需要的脉冲数为num，从而可得步长L(mm)为：

(d为小车后轮直径，51mm)，设每秒钟走的步数为：

步进电机的驱动器接受到的脉冲频率为

经过多次试验选择α＝0.045，代入t＝30计算得出f≥39965Hz。当小车行驶到C点后，接着进行平衡调整，调整的方法如下：首先让小车的速度减慢，然后采用逐步逼近平衡点的办法调整小车的位置，最终小车在平衡点达到静态或动态平衡。根据多次试验可得，小车在平衡点处多数是处于动态平衡。

更详细地，设A点到C点用的时间为t(s)，速度设为v(mm/s)；路程设为s(mm)；

v = \frac{s}{t}, (t \leq 30);

设步进电机的细分度为angle＝α，从而可得步长L(mm)为：

(d为小车后轮直径，单位mm)，

设每秒钟走的步数为：

步进电机的驱动器接受到的脉冲频率为

f = N = \frac{v}{L} = \frac{360 s}{2 tπd}

参数配比如下：

α值	f范围
α值	f范围	α＝0.9	f≥67Hz
α＝0.36	f≥166Hz	α＝0.9	f≥67Hz
α＝0.36	f≥166Hz	α＝0.18	f≥333Hz
α＝0.09	f≥666Hz	α＝0.18	f≥333Hz
α＝0.09	f≥666Hz	α＝0.045	f≥1332Hz

当小车行驶到板中心后，进行平衡调整，调整的方法如下：首先让小车的速度减慢，然后采用逐步逼近平衡点的办法调整小车的位置，最终小车在平衡点达到静态或动态平衡。根据多次试验可得，小车在平衡点处多数是处于动态平衡。

在平衡状态的测量与控制中，系统采用一排14个红外反射对管竖直立于跷跷板一端的侧面(如图2)，根据跷跷板上挡板不同高度，红外反射对管采集到不同的开关量传送至单片机89C2051，其检测数据和单片机控制关系见下表：(以上半段为例)

上排传感器检测值(顺序自上至下)	1111110	1111100	1111001	1110011	1100111	1001111	0011111
上排传感器检测值(顺序自上至下)	1111110	1111100	1111001	1110011	1100111	1001111	0011111	小车行进动作	停转	慢速前进	慢速前进	中速前进	中速前进	快速前进	快速前进
下排传感器检测值(顺序自下至上)	1111110	1111100	1111001	1110011	1100111	1001111	0011111	小车行进动作	停转	慢速前进	慢速前进	中速前进	中速前进	快速前进	快速前进
下排传感器检测值(顺序自下至上)	1111110	1111100	1111001	1110011	1100111	1001111	0011111	步进电机的动作	停转	慢速后退	慢速后退	中速后退	中速后退	快速后退	快速后退

更具体地，参照图5和图6，平衡状态的微调计算分析(变量的说明如下)：

M_L--跷跷板左侧质量

M_R-跷跷板右侧质量

L_左-跷跷板左侧重心到切点距离

L_右-跷跷板右侧重心到切点平距离

M_车-小车质量

L_车-初始小车重心到切点距离

L′_车-达到新平衡位置时(即小车移动后)小车重心到新的切点(图2)的水平距离

r——圆轴半径

α——稳定时跷跷板与水平方向的夹角(弧度)

假定：稳定——能够定住不动但与水平方向有一定的夹角α；

平衡——水平稳定α＝0°(图6)；

对于图5：

M_L×L_左+M_车×L_车＝M_R×L_右 (1)

对于图6：

M_L×(L_左+α×r)+M_车×L′_车＝M_R×(L_右-α×r) (2)

由(1)、(2)两公式可得：

M_车(L_车-L′_车)＝M_R×α×r+M_L×α×r

小车移动的距离为：

如此，小车的行进距离很好计算，而现在剩下来的关键是如何达到图5和图6的稳定状态。由于翘翘板转动的惯性关系，翘翘板容易左右摆动，为了消除或将摆动减到很小，以便达到平衡，我们对小车进行如下动作：

1、检测到向左边倾时，小车向右开，抵消翘翘板的向左转动的惯性；

2、检测到向右边倾时，小车向左开，抵消翘翘板的向左转动的惯性；

注意：这里的向左边、向右边不是说倾角向左和倾角向右，而是指翘翘板动作的一个方向。在步进电机驱动模块中，控制系统中的电机采用START SHAPHON公司的两相混合式17HS001步进电机，相电流1.7A，步距角1.8°，最大静转矩为0.45Nm。并且采用相配套的两相混合式SH-2H042Mb微型驱动器，能实现步进电机的精确控制。具体电路连接参见图7。

更具体地，参见图11，在步进电机驱动单元中，系统采用共阳极接法，CP+与DIR+短接接至单片机板+5V高电平；CP-作为脉冲输入端，连接至单片机P3.4管脚；DIR-作为电机运转方向控制端，接至单片机P3.3管脚。其中脉冲由定时器对系统时钟分频输出产生的方波。参见图12，在循迹检测单元中，色标传感器检测被测物体色温，通过内部电路输出数字信号，其中传感器1输出端连接至单片机P3.6端口，传感器2输出端连接至单片机P3.7端口，单片机处理两路信号进行控制。

参见图13，在舵机控制单元中，采用FUTABA S3010舵机，并应用频率为50Hz，占空比可调的矩形波，通过对占空比的调节来控制舵机轴转动的角度，精确度可以达到设计要求。舵机通过一根信号线接至单片机P3.5端口，接收单片机输出的PWM信号。

当可调矩形波的波形为图14(a)所示时，小车动作：右转30°；

当可调矩形波的波形为图14(b)所示时，小车动作：右转30°。

另外地，尽管已经清楚详细地描述了本发明提出的技术方按，并且本发明的优选实施例详细描述并解释了本发明，但是本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出多种修改。

Claims

1、一种智能电动车跷跷板运动平衡检测系统，其由检测模块与车载模块组成，其中检测模块包括红外对射管、无线发送模块和单片机89C2051，用于完成对跷跷板运动状态的检测，并将检测结果以无线通信方式传送给车载模块；车载模块以C8051为主控芯片，通过无线接收模块接收跷跷板的运动状态，结合实时车速与方向，经过PID算法调整，得出下一步行进的速度和方向，并将方向信号、脉冲信号发送给步进电机驱动器驱动步进电机，进而控制小车的行驶；采用色标传感器进行循迹检测，采用PWM调制控制舵机转动，进而精确调整小车姿态方向；系统使用液晶显示，用以显示小车行驶的实时数据；其中将一排红外发射-接收对管按竖直方向立于跷跷板一端的侧面，通过对跷跷板运动过程的密集采集，得到完整的运动轨迹。

2、依据权利要求1的智能电动车跷跷板运动平衡检测系统，其中所述液晶显示采用具有128×64点阵的JRM-12864H-C液晶显示模块，在同屏显示多类信息。

3、依据权利要求1的智能电动车跷跷板运动平衡检测系统，其中在小车姿态控制单元中，采用舵机通过连杆控制前轮转向角度。