新编直立车原理.doc

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(2-3)式中,θ为车模倾角;θ'为角速度;k1、k2均为比例系数;两项相加后作为车轮加速度的控制量。只要保证在>g、k2>0条件下,可以使得车模像单摆一样维持在直立状态。其中有两个控制参数k1、k2,k1决定了车模是否能够稳定到垂直平衡位置,它必须大于重力加速度;k2决定了车模回到垂直位置的阻尼系数,选取适宜的阻尼系数可以保证车模尽快稳定在垂直位置。这两个系数的作用如图2-10所示。控制车模直立稳定的条件如下:〔1〕能够精确测量车模倾角θ的大小和角速度θ'的大小;〔2〕可以控制车轮的加速度。第一个条件,即如何测量车模倾角和倾角速度θ,'θ,参见下一小节“车模角度测量〞。如何确定控制参数、参见“调试篇〞中的参数调节。下面先讨论第二个条件的实现,即车轮的加速度控制。车模运行速度和加速度是通过控制车轮速度实现的,车轮通过车模两个后轮电机经由减速齿轮箱驱动,因此通过控制电机转速可以实现对车轮的运动控制。电机的运动控制有三个作用:〔1〕通过电机加速度控制实现车模平衡稳定。〔2〕通过电机速度控制,实现车模恒速运行和静止。〔3〕通过电机差速控制,可以实现车模方向控制。电机运动控制是通过改变施加在其上的驱动电压大小实现的。对于电机的电磁模型、动力学模型以及车模的动力学模型进行分析和简化,可以将电机转速与施加在其上的电压之间的关系简化成如下的一阶惯性环节模型。施加在电机上一个阶跃电压Eu〔t〕,电机的速度变化曲线为 (2-4)式中,E为电压;u(t)为单位阶跃函数;为惯性环节时间常数;为电机转速常数。对应不同的电压,电机的速度变化曲线如图2-13所示。由图2-13可以看出,电机运动明显分为两个阶段:第一个阶段是加速阶段;第二个阶段为恒速阶段。其中,在加速阶段,电机带动车模后轮进行加速运动,加速度近似和施加在电机上的电压成正比,加速阶段的时间长度取决于时间常数T1。该常数由电机转动惯量、减速齿轮箱减速比、车模的转动惯量决定,一般在十几到几百个毫秒。在恒速阶段,电机带动车模后轮进行恒速运行,运行速度与施加在电机上的电压成正比。调整车模角度的控制周期很短,时间一般是几个毫秒,远小于时间常数T1。此时电机根本上运行在加速阶段。由〔2-3〕计算所得到的加速度控制量a再乘以一个比例系数,即为施加在电机上的控制电压,这样便可以控制车模保持直立状态。电机的加速度实际上是由通过电机的电流所产生的电磁力矩决定。考虑到电机电流的控制需要更高的速度,所以在此就简化电机的控制方案。。因此,车模倾角以及倾角速度的测量成为控制车模直立的关键。测量车模倾角和倾角速度可以通过安装在车模上的加速度传感器和陀螺仪实现。〔1〕加速度传感器加速度传感器可以测量由地球引力作用或者物体运动所产生的加速度。竞赛规那么规定如果车模使用加速度传感器必须使用飞思卡尔公司产生的加速度传感器。该系列的传感器采用了半导体外表微机械加工和集成电路技术,传感器体积小,重量轻。它的根本原理如图2-14所示。通过微机械加工技术在硅片上加工形成了一个机械悬臂。它与相邻的电极形成了两个电容。由于加速度使得机械悬臂与两个电极之间的距离发生变化,从而改变了两个电容的参数。通过集成的开关电容放大电路量测电容参数的变化,形成了与加速度成正比的电压输出。MMA7260是一款三轴低g半导体加速度计,可以同时输出三个方向上的加速度模拟信号,如图2-15所示。通过设置可以使得MMA7260各轴信号最大输出灵敏度为800mV/g,这个信号无需要在进行放大,直接可以送到单片机进行AD转换。实际上,飞思卡尔公司还有更多系列的低g值的加速度传感器,特别是具有数字接口的传感器可以方便单片机接口设计。只需要测量其中一个方向上的加速度值,就可以计算出车模倾角,比方使用Z轴方向上的加速度信号。车模直立时,固定加速度器在Z轴水平方向,此时输出信号为零偏电压信号。当车模发生倾斜时,重力加速度g便会在Z轴方向形成加速度分量,从而引起该轴输出电压变化。变化的规律为式中,g为重力加速度;θ为车模倾角;k为加速度传感器灵敏度系数系数。当倾角θ比较小的时候,输出电压的变化可以近似与倾角成正比。似乎只需要加速度就可以获得车模的倾角,再对此信号进行微分便可以获得倾角速度。但在实际车模运行过程中,由于车模本身的摆动所产生的加速度会产生很大的干扰信号,它叠加在上述测量信号上使得输出信号无法准确反映车模的倾角,如图2-16所示。以下图是实际测量安装在车模上MMA7260的Z轴信号。车模倾角在两个角度位置过渡,看到除了角度变化信号之外,还存在由于运动引起的电压波动,这个电压波动随着车模运动速度增加会变得很大。下面简单分析运动所产生的干扰信号。加速度传感器安装在车模上,距离车轴高度为h。车模转动具有角加速度θ',运动加速度α。那么在加速度传感器Z轴上出现由于车模运动引起的加速度为hθ'+α,如图2-18所示。为了减少运动引起的干扰,加速度传感器安装的高度越低越好,但是无法彻底消除车模运动的影响。车模运动产生的加速度使得输出电压在实际倾角电压附近波动。这些波动噪声可以通过数据平滑滤波将其滤除。但是平滑滤波一方面会使得信号无法实时反映车模倾角变化,从而减缓对于车模车轮控制。另一方面也会将车模角速度变化信息滤掉。上述两方面的滤波效果使得车模无法保持平衡。因此对于车模直立控制所需要的倾角信息需要通过另外一种器件获得,那就是角速度传感器-陀螺仪。〔2〕角速度传感器-陀螺仪陀螺仪可以用来测量物体的旋转角速度。竞赛允许选用村田公司出品的ENC-03系列的加速度传感器。它利用了旋转坐标系中的物体会受到科里奥利力的原理,在器件中利用压电陶瓷做成振动单元。当旋转器件时会改变振动频率从而反映出物体旋转的角速度。ENC-03角速度传感器以及相关参考放大电路如图2-19所示。在车模上安装陀螺仪,可以测量车模倾斜角速度,将角速度信号进行积分便可以得到车模的倾角。如图2-20所示。由于陀螺仪输出的是车模的角速度,不会受到车体运动的影响,因此该信号中噪声很小。车模的角度又是通过对角速度积分而得,这可进一步平滑信号,从而使得角度信号更加稳定。因此车模控制所需要的角度和角速度可以使用陀螺仪所得到的信号。由于从陀螺仪角速度获得角度信息,需要经过积分运算。如果角速度信号存在微小的偏差和漂移,经过积分运算之后,变化形成积累误差。这个误差会随着时间延长逐步增加,最终导致电路饱和,无法形成正确的角度信号,如图2-20所示。如何消除这个累积误差呢?一种简单的方法就是通过上面的加速度传感器获得的角度信息对此进行校正。通过比照积分所得到的角度与重力加速度所得到的角度,使用它们之间的偏差改变陀螺仪的输出,从而积分的角度逐步跟踪到加速度传感器所得到的角度。如图2-22所示。