新版電磁組直立行車設計方案

一、引言

電磁組直立行車比賽要求車模在直立狀態下以兩個輪子著地沿著賽道進行比賽，相比四輪著地狀態，車模的控制任務更為復雜。為了設計一款性能優越、穩定可靠的直立行車。

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、電源、電機驅動、加速度計、陀螺儀、編碼器、電磁檢測以及調試接口等模塊組成。

1. 道路識別：主要通過AD采集電磁傳感模塊的信號輸出量，通過信號處理計算出位置偏差，進一步進行轉向控制。

2. 姿態檢測：單片機最小系統通過采集加速度計和陀螺儀的輸出信號，通過濾波得到小車當前的姿態，計算出角度偏差。

3. 速度檢測：編碼器通過正交解碼獲得兩個車輪的速度信號，并計算出速度偏差。

在控制策略上，直立控制和速度控制采用的是串級PID控制，最終將各閉環的PID調節線性疊加，把控制輸出量在算法中線性疊加后，通過電機轉速的調節就可以同時實現平衡、速度和轉向控制三個功能。

小車加入了調試接口，方便參數的調節，并且為了方便智能車運行過程中數據的采集，加入了藍牙模塊，進而可以通過上位機顯示，可視化小車運行時的數據信息。

三、主控芯片型號及其在設計中的作用

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

1. L298芯片

   型號：L298

   作用：L298是一款雙全橋驅動芯片，可以接受高達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、反轉、剎車和停止，并且可以通過接收PWM信號來控制電機的轉速。L298電機驅動芯片的特點是成本比較低，控制穩定可靠。

   應用：在電磁組直立行車的設計中，L298芯片用于驅動車模的兩個后車輪電機，通過接收主控芯片發出的PWM信號，實現對電機轉速的精確控制。同時，通過控制電機的正反轉和剎車，實現車模的直立控制、速度控制和轉向控制。

2. L293D芯片

   型號：L293D

   作用：L293D也是一款雙全橋驅動芯片，與L298芯片相似，但輸入電壓范圍較小，只能在4.5V到36V之間。該芯片驅動直流電機時最大工作電流可達600mA，適合用于小型智能小車。L293D芯片只有兩種工作模式：正轉和反轉，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。

   應用：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計中，L293D仍然是一個不錯的選擇。通過接收主控芯片發出的控制信號，L293D芯片可以實現對電機轉速和方向的精確控制。

3. DRV8871芯片

   型號：DRV8871

   作用：DRV8871是一款單全橋驅動器，輸入電壓范圍為6V到45V之間。該芯片不僅具有高達3.6A的最大輸出電流，而且可以提供PWM調節，支持多種電機類型。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，所以在實際應用中可能需要外接散熱器。

   應用：在電磁組直立行車的設計中，DRV8871芯片可以實現對電機的高效驅動。通過接收主控芯片發出的PWM信號，DRV8871芯片可以精確控制電機的轉速和轉向。同時，由于其高效率和低損耗的特點，可以顯著提高車模的續航能力。

4. KEA128最小系統

   型號：KEA128

   作用：KEA128是一款高性能的單片機，具有強大的計算能力和豐富的外設接口。在電磁組直立行車的設計中，KEA128作為主控芯片，負責采集加速度計、陀螺儀和編碼器的輸出信號，通過濾波和計算得到小車當前的姿態和速度信息。同時，KEA128還負責接收電磁傳感模塊的信號，進行道路識別。最后，KEA128根據采集到的信息，通過PID控制算法，計算出控制電機的輸出信號，實現對車模的直立控制、速度控制和轉向控制。

   應用：KEA128作為主控芯片，在電磁組直立行車的設計中發揮著至關重要的作用。它不僅負責數據的采集和處理，還負責控制信號的輸出和調節。通過精確的PID控制算法，KEA128可以實現對車模的精確控制，使車模在比賽中保持穩定的直立狀態，同時實現高速穩定的行駛。

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中使用細線懸掛重物，而直立的車模可以看成放置在左右移動的平臺上的倒立的單擺。

1. 單擺模型：在重力場中使用細線懸掛著重物，當物體離開垂直的平衡位置之后，便會受到重力與懸線的作用合力，驅動重物回復平衡位置。這個力稱之為回復力。

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

3. 控制原理：為了達到穩定直立的目的，需要控制車模底部車輪的加速度，使得回復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。通過調節k1和k2的值，可以實現對車模的平衡控制。

4. PID控制：在實際應用中，通常采用PID控制算法來實現對車模的平衡控制。PID控制算法根據車模當前的偏角、偏角速度和偏角加速度等信息，計算出控制輸出量，通過調節電機的轉速和轉向，實現對車模的平衡控制。

五、硬件設計

1. 電機驅動模塊：采用L298、L293D或DRV8871等芯片作為電機驅動模塊，實現對電機轉速和方向的精確控制。

2. 姿態檢測模塊：采用加速度計和陀螺儀作為姿態檢測模塊，采集小車當前的姿態信息。

3. 速度檢測模塊：采用編碼器作為速度檢測模塊，采集車輪的速度信息。

4. 電磁檢測模塊：采用電磁傳感器作為電磁檢測模塊，采集賽道上的電磁信號，進行道路識別。

5. 電源模塊：采用穩定的電源模塊，為整個系統提供穩定的電壓和電流。

六、軟件設計

1. 初始化：在軟件設計中，首先需要對各個模塊進行初始化，包括電機驅動模塊、姿態檢測模塊、速度檢測模塊和電磁檢測模塊等。

2. 數據采集：通過采集加速度計、陀螺儀和編碼器的輸出信號，得到小車當前的姿態和速度信息。同時，通過采集電磁傳感模塊的信號，進行道路識別。

3. 控制算法：采用PID控制算法，根據采集到的信息，計算出控制電機的輸出信號。通過調節電機的轉速和轉向，實現對車模的直立控制、速度控制和轉向控制。

4. 調試接口：為了方便參數的調節和數據的采集，設計了調試接口。通過調試接口，可以方便地修改控制參數，并實時采集和顯示小車運行時的數據信息。

5. 藍牙模塊：為了方便數據的傳輸和顯示，設計了藍牙模塊。通過藍牙模塊，可以將小車運行時的數據信息傳輸到上位機進行顯示和分析。

七、實驗與測試

在實驗與測試階段，需要對電磁組直立行車進行多次調試和測試，以確保其性能穩定可靠。

1. 靜態測試：在靜態測試階段，需要測試車模在靜止狀態下的平衡能力。通過調整控制參數，使車模能夠在靜止狀態下保持穩定的直立狀態。

2. 動態測試：在動態測試階段，需要測試車模在行駛過程中的平衡能力和速度穩定性。通過調整控制參數和電機轉速，使車模能夠在賽道上保持穩定的直立狀態，并實現高速穩定的行駛。

3. 比賽測試：在比賽測試階段，需要模擬比賽環境，對車模進行實際測試。通過測試，可以檢驗車模在比賽中的性能和穩定性，并根據測試結果進行進一步的優化和調整。

八、結論

本文詳細介紹了新版電磁組直立行車的設計方案，包括整體控制策略、主控芯片的選擇及其在設計中的作用、直立車平衡控制原理、硬件設計、軟件設計以及實驗與測試等方面。通過精確的PID控制算法和高效的電機驅動模塊，實現了對車模的精確控制，使車模在比賽中保持穩定的直立狀態，同時實現高速穩定的行駛。實驗結果表明，該設計方案具有較高的穩定性和可靠性，為電磁組直立行車比賽提供了一種有效的解決方案。