技術(shù)控做的玩具就是酷，小車蹺蹺板平衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完整解決方案

項(xiàng)目背景及可行性分析

1. 項(xiàng)目名稱、項(xiàng)目的主要內(nèi)容及目前的進(jìn)展情況

項(xiàng)目名稱：基于FPGA的小車蹺蹺板平衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目主要內(nèi)容：

本項(xiàng)目以FPGA為核心，制作一個(gè)電動(dòng)小車控制器，使小車能夠自動(dòng)沿一個(gè)寬30cm，長(zhǎng)160cm的翹翹板尋跡行駛，并能調(diào)節(jié)小車位置使翹翹板傾斜某一設(shè)定角度，保持靜止平衡。當(dāng)另有外力使翹翹板失衡時(shí)，小車自動(dòng)尋找新的平衡點(diǎn)，使翹翹板重新達(dá)到平衡。如圖1、圖2所示。系統(tǒng)靜態(tài)誤差小于1度，超調(diào)量小于10％。項(xiàng)目制作中，將通過(guò)理論研究和反復(fù)實(shí)驗(yàn)對(duì)控制算法和控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化力求達(dá)到最快調(diào)節(jié)速度和最小誤差，為控制工程提供一個(gè)真實(shí)的物理仿真實(shí)驗(yàn)裝置。

圖一

圖二

目前的進(jìn)展情況：

本項(xiàng)目于前期已做了較為充分的理論準(zhǔn)備工作，經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)，建立了受控對(duì)象和控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，研究和比較了系統(tǒng)的相關(guān)控制算法。項(xiàng)目車體部分、光電傳感器部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、角度傳感器部分、信號(hào)調(diào)理放大電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、系統(tǒng)供電電路等部件均已設(shè)計(jì)制作完成，有關(guān)的外圍電路印制板也已焊接調(diào)試成功，并分別通過(guò)調(diào)試。目前正在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，并著手編寫程序，待獲得FPGA開(kāi)發(fā)平臺(tái)后，即可開(kāi)始程序調(diào)試及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)。

2. 項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)的論述：

本項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)在于利用FPGA的快速數(shù)據(jù)處理功能和豐富靈活的接口資源，建立一個(gè)能對(duì)小車翹翹板系統(tǒng)進(jìn)行控制的硬件平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上研究各種控制算法，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)控制算法進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)翹翹板的非穩(wěn)定平衡狀態(tài)進(jìn)行有效的控制，使之處于平衡靜止?fàn)顟B(tài)并能夠保持。本項(xiàng)目的受控對(duì)象是一個(gè)非線性高階系統(tǒng)，在控制領(lǐng)域中是人們感興趣而又難以被控制的過(guò)程，其相關(guān)研究結(jié)論可應(yīng)用于飛行器姿態(tài)控制、機(jī)器人平衡控制等方面，涉及非線性信號(hào)處理、非線性控制、控制參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化等技術(shù)。

本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)在于，把FPGA的高速并行數(shù)據(jù)處理特性綜合應(yīng)用到了一個(gè)在控制領(lǐng)域中人們所感興趣而又難以被控制的非穩(wěn)定受控過(guò)程中，利用FPGA為控制系統(tǒng)研究提供了一個(gè)通用性好，廉價(jià)而實(shí)用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為理論研究結(jié)果建立一個(gè)實(shí)驗(yàn)物質(zhì)條件，增強(qiáng)理論和實(shí)踐的相結(jié)合。同時(shí)，該項(xiàng)目富有趣味性和知識(shí)性，可以激發(fā)更多電子愛(ài)好者的興趣，擴(kuò)大FPGA的應(yīng)用層面。

3. 技術(shù)成熟性和可靠性論述：

小車平衡態(tài)的控制類似于倒立擺，但又有所不同。倒立擺控制已經(jīng)有較多的研究，并已應(yīng)用于機(jī)器人平衡，飛行器姿態(tài)控制等。理論和實(shí)踐都證明系統(tǒng)是可實(shí)現(xiàn)的。小車的控制采樣周期大約毫秒數(shù)量級(jí)就可滿足基本要求，所以，F(xiàn)PGA的速度完全可以滿足要求。而FPGA所具有的靈活的邏輯組合配置，足以完成小車運(yùn)行所需要的控制邏輯和運(yùn)行協(xié)調(diào)。系統(tǒng)所使用的各傳感器及其信號(hào)調(diào)理電路已經(jīng)調(diào)試成功。這些先行工作和已成熟技術(shù)為系統(tǒng)的成功實(shí)現(xiàn)提供聯(lián)保證條件。在可靠性方面，系統(tǒng)各部件之間的連接將采用高可靠的連接器件，并用熱封膠密封，機(jī)械緊固件采取鎖緊措施。由于系統(tǒng)不與外界電氣連接，不存在共模電壓干擾，因此不考慮使用光電隔離。在軟件方面，采用看門狗定時(shí)器，保證系統(tǒng)程序跑飛后能夠自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。

圖3

項(xiàng)目實(shí)施方案

1. 方案基本功能框圖及描述

系統(tǒng)框圖如圖3所示，主控循環(huán)程序每隔一個(gè)采樣周期從FPGA接口中讀取各個(gè)傳感器的數(shù)值，并經(jīng)過(guò)處理后獲得小車的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)小車的當(dāng)前狀態(tài)采取相應(yīng)的控制算法計(jì)算出電機(jī)所需的控制電壓值，進(jìn)而，該控制電壓值經(jīng)過(guò)PMW處理后輸出到小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使小車按照希望的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。為了使程序流程清晰簡(jiǎn)潔，框圖中以一個(gè)標(biāo)志信號(hào)來(lái)記錄小車所運(yùn)行的階段，控制器則根據(jù)小車所處的運(yùn)行階段進(jìn)行相應(yīng)的控制。

2.需要的開(kāi)發(fā)平臺(tái)

根據(jù)本系統(tǒng)所需達(dá)到功能要求和性能要求，系統(tǒng)需要完成傳感器模擬量的數(shù)據(jù)采集和光電傳感器電平數(shù)據(jù)的采集，需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和輸出，需要對(duì)小車的狀態(tài)進(jìn)行判斷和控制等。Spartan-3E芯片（XC3S500E-4FG320C）具有速度高，接口豐富等特點(diǎn)，根據(jù)系統(tǒng)要求和所要完成的功能，Spartan-3E芯片（XC3S500E-4FG320C）配以相應(yīng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，完全可以完成系統(tǒng)控制要求，且價(jià)廉實(shí)惠，開(kāi)發(fā)過(guò)程快捷，簡(jiǎn)單易行。為了能夠使用Spartan-3E初級(jí)板，本項(xiàng)目需要與Spartan-3E初級(jí)板相配套的開(kāi)發(fā)軟件和編譯調(diào)試工具和環(huán)境。

2.方案實(shí)施過(guò)程中需要開(kāi)發(fā)的模塊

在本方案中需要研制、開(kāi)發(fā)的功能主要模塊，以及開(kāi)發(fā)的方式

本方案中，所要研制的硬件模塊包括：1）尋跡用紅外光電傳感器模塊及其波形整形電路，2）用于檢測(cè)小車運(yùn)行位移和速度的紅外光電編碼器模塊，3）用于為不同元件提供不同電壓的電源變換模塊，4）用于檢測(cè)小車傾角的角度傳感器信號(hào)調(diào)理模塊，5）用于驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊，6）用于顯示系統(tǒng)狀態(tài)和輸入指令的人機(jī)界面模塊，7）AD轉(zhuǎn)換模塊，8）碰觸檢測(cè)模塊，8）在擴(kuò)展功能中，用于擴(kuò)大檢測(cè)小車狀態(tài)的視頻處理模塊，等等。

軟件系統(tǒng)中也按模塊編程，包括：1）人機(jī)交互模塊，2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)PWM運(yùn)算模塊，3）平衡控制計(jì)算模塊，4）運(yùn)行軌跡尋找與跟蹤模塊，信號(hào)檢測(cè)及標(biāo)度模塊，5）系統(tǒng)協(xié)調(diào)模塊

3.系統(tǒng)最終要達(dá)到的性能指標(biāo)

該項(xiàng)目將完成小車的自動(dòng)尋跡和平衡控制，平衡保持時(shí)間可按照要求任意設(shè)定。小車在引導(dǎo)線的引導(dǎo)下自動(dòng)登爬蹺蹺板，并在平衡位置達(dá)到靜態(tài)平衡。從登陸蹺蹺板到進(jìn)入平衡狀態(tài)所需時(shí)間不大于20秒。系統(tǒng)靜態(tài)誤差小于1度，超調(diào)量小于10％。在基本功能實(shí)現(xiàn)的情況下，將進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)，提高運(yùn)行速度和減少調(diào)節(jié)時(shí)間和靜態(tài)誤差。

需要的其它資源

1.設(shè)計(jì)輸入輸出功能子板

子板功能為：1）產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各種電壓，為系統(tǒng)各部件提供電源。2）為角度傳感器提供參考電源，對(duì)角度傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)理，并進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，得到與角度成比例的數(shù)字信號(hào)。3）將紅外光電傳感器的電壓信號(hào)整形為標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平。4）將控制信號(hào)放大，為直流電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)能力。

子板接口為標(biāo)準(zhǔn)pin口，使用標(biāo)準(zhǔn)接插件。

2.測(cè)試設(shè)備

PC機(jī)、萬(wàn)用表、直流穩(wěn)壓電源、秒表、卷尺、量角器等

3.方針、開(kāi)發(fā)工具

Spartan-3E初級(jí)板，ISE9.1，Modesim se，EDK9.1，Synplify pro，Chipscope pro9.1