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電機(jī)數(shù)量方案

方案一：采取四驅(qū)驅(qū)動(dòng)方案，因其動(dòng)力輸出以及重力配比均衡，行駛穩(wěn)定性好，但是由于循跡小車對(duì)于車體的靈活性以及方向可控度要求都比較高，所以四驅(qū)驅(qū)動(dòng)并不是特別合適。

方案二：采取二驅(qū)加雙萬(wàn)向輪驅(qū)動(dòng)方案，這種驅(qū)動(dòng)方案可以最大限度的保持整個(gè)系統(tǒng)的靈活性，在小車的循跡過(guò)程中保持小車最大靈活的方向?qū)崟r(shí)調(diào)整以及小車的穩(wěn)定行駛。但這種方案限制了小車的動(dòng)力空間。同時(shí)通過(guò)調(diào)整電機(jī)型號(hào)，最大程度的改善了本方案限制電機(jī)動(dòng)力空間的弊端。

綜上所述，本系統(tǒng)采用方案二。

控制器模塊方案

方案一：采用傳統(tǒng)的 51 單片機(jī)，運(yùn)用比較廣泛，有良好的知識(shí)作為基礎(chǔ)，上手很快。但是本系統(tǒng)的程序量較大，要求數(shù)據(jù)處理能力高，需要的I\O 口資源較多，51單片機(jī)難以勝任。

方案二：采用ST公司的STM32F103單片機(jī)，ARM高速內(nèi)核，超強(qiáng)性能，片內(nèi)資源非常充足，雖然STM32操作比傳統(tǒng)51單片機(jī)復(fù)雜的多，但是STM32有豐富的庫(kù)函數(shù)資源，操作方便，功能強(qiáng)大，能非常良好的完成任務(wù)。

綜上所述，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，以及滿足任務(wù)要求的情況下，本系統(tǒng)采取方案二。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案

方案一：利用 H 橋電路的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。此種電路包含若干個(gè)三極管及外圍電阻等器件，通用性強(qiáng)， 功能強(qiáng)大。 通過(guò)對(duì)相關(guān)端口的寫(xiě)入， 能夠?qū)崿F(xiàn)兩電機(jī)正反轉(zhuǎn)和PWM調(diào)速。 但是，由于三極管本身工作電流的限制，此電路不能夠驅(qū)動(dòng)大功率電機(jī)，并且電路暴露在外部導(dǎo)致穩(wěn)定性不高，所以放棄使用該方案。

方案二：基于 L298N 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。 L298N 是一款專門(mén)用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的芯片，具有高集成度、高功率的特點(diǎn)，其輸出電流為2A ，最高電流 4A ，最高工作電壓 50V ，可以驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，如大功率直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，減速電機(jī)，伺服電機(jī)，電磁閥等，較少的外圍電路（僅需要保護(hù)用的二極管和濾波電容）便可以很好地驅(qū)動(dòng)大功率的電機(jī)。其輸入端可以與單片機(jī)直接相聯(lián)，從而很方便地受單片機(jī)控制。當(dāng)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)時(shí)，可以直接控制兩路電機(jī)，并可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)此功能只需改變輸入端的邏輯電平。而且模塊體積小，穩(wěn)定性高。

綜合上述兩個(gè)方案，本系統(tǒng)選擇方案二

1金屬探測(cè)模塊采集與計(jì)算

金屬探測(cè)LDC1314是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的，將一金屬置于變化的磁場(chǎng)當(dāng)中時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理就會(huì)在金屬內(nèi)部產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)反過(guò)來(lái)又影響原磁場(chǎng)，這種變化可以轉(zhuǎn)換為電壓幅值的變化，供相關(guān)電路進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)改變金屬和線圈之間的距離得到不同的值，對(duì)前端探測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理和分析，當(dāng)其中一個(gè)線圈探測(cè)到鐵絲則讓小車向相反方向前進(jìn)，若發(fā)現(xiàn)附近有硬幣存在該探測(cè)器發(fā)出聲音警報(bào)。

LDC1314可以同時(shí)測(cè)量阻抗和頻率。LDC1314是通過(guò)調(diào)節(jié)振蕩器的幅度同時(shí)檢測(cè)LC的諧振損耗來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)測(cè)量的。通過(guò)檢測(cè)注入到LC諧振單元的能量，可以計(jì)算出RP。在LDC1000中RP值被轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，數(shù)值跟RP的值成反比。LDC1314可以檢測(cè)到LC的諧振頻率。諧振頻率用于計(jì)算LC中的L值。頻率值也有LDC1314轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。諧振LC中的C是已知的（電板上焊接），所以根據(jù)諧振頻率就能計(jì)算出L值。根據(jù)衰減振蕩的曲線可以計(jì)算出RP。

采用高精度的LCD1314電磁傳感器，不斷采集由傳感器的通道1和通道0采集的諧振頻率的數(shù)據(jù)。LCD1314和所有設(shè)備寄存器之間的通信采用400kHz的I2C接口，實(shí)現(xiàn)高速連信，精確測(cè)量采集的諧振的頻率，在通過(guò)內(nèi)部的12位AD的轉(zhuǎn)換將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量讀取測(cè)量數(shù)據(jù)，然后通過(guò)輸出到STM32單片機(jī)自帶的LCD，實(shí)時(shí)的檢測(cè)數(shù)據(jù)。但由于LCD1314的傳感器受到電流、溫度的影響，因此需要一定的補(bǔ)償X。小車采用了兩只5V 2.5A直流電機(jī)，作為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)諧振，并且轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)量，單片機(jī)處理傳來(lái)的數(shù)據(jù)量，調(diào)節(jié)輸出PWM占空比，控制兩只電機(jī)的運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。從而實(shí)現(xiàn)小車的尋跡。

    本系統(tǒng)對(duì)比控制法，和軟件濾波。當(dāng)兩個(gè)通道不接觸鐵絲是，測(cè)得數(shù)據(jù)居為date0 和

date1.由于傳感器的收到干擾。補(bǔ)償為實(shí)時(shí)檢測(cè)的數(shù)據(jù)為date0(t),date1(t)。采用軟件濾波，對(duì)date0和date1采樣十次測(cè)平均值。

date0(t)>=date0+MA[N] ：則控制左邊的電機(jī)速度減慢，右邊加快

date1(t)>=date1+MA[N] :   則控制右邊的電機(jī)速度減慢，左邊加快

date0(t)<=date0 +MA[N] && date1<=date1+MA[N] :  則左右前進(jìn)

其中，MA[N] :新的平均值；MA[n-1]:上一個(gè)移動(dòng)的平均值；N：要求的平均值的樣本；X[n]：當(dāng)前LDC樣本。

2循跡小車運(yùn)動(dòng)控制分析

采用了占空比可調(diào)的周期矩形信號(hào)控制。脈沖頻率對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶帶負(fù)載能力差脈沖頻率低則反之。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率在40HZ以下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，但加負(fù)載后，速度下降明顯，低速時(shí)甚至?xí)＾D(zhuǎn);脈沖頻率在10HZ以下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)有明顯跳動(dòng)變化。

  理論計(jì)算后得，脈沖頻率在15HZ到30HZ時(shí)效果最佳。而具體采用的頻率可根據(jù)個(gè)別電動(dòng)機(jī)性能在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。通過(guò)第一端口輸入信號(hào)，第二端口輸入低電平與第一端口輸入低電平，第二端口輸入信號(hào)分別實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)功能。通過(guò)對(duì)信號(hào)占空比的調(diào)整來(lái)對(duì)車速進(jìn)行調(diào)節(jié)。速度微調(diào)方面，可以通過(guò)對(duì)占空比跨度漸增或漸減分別對(duì)速度的逐加和逐減。

 因?yàn)楸鞠到y(tǒng)采用了四個(gè)金屬探頭來(lái)探測(cè)跑道鐵絲標(biāo)識(shí)，所以采用了5種行駛模式:前進(jìn)模式，左轉(zhuǎn)模式，右轉(zhuǎn)模式，行駛左轉(zhuǎn)模式，行駛右轉(zhuǎn)模式來(lái)解決應(yīng)對(duì)跑道中不同類型的道路，前進(jìn)模式，行駛左轉(zhuǎn)模式，行駛右轉(zhuǎn)模式，以前面兩個(gè)金屬探頭為主，后面兩個(gè)金屬探頭為輔助，而左轉(zhuǎn)模式和右轉(zhuǎn)模式以后面兩個(gè)探頭為主，前面兩個(gè)探頭作為輔助；這樣做的好處在于能夠更好的適應(yīng)跑道，加強(qiáng)小車的行駛穩(wěn)定性，當(dāng)在直道行駛過(guò)程中，一旦當(dāng)小車因?yàn)樗俣冗^(guò)快慣性跑出，前面的探頭檢測(cè)不到跑道時(shí)候，而后面探頭卻能檢測(cè)到跑道，此時(shí)調(diào)用行駛左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)模式來(lái)迅速校正小車頭向，最大限度避免慣性的影響，而正常情況下采用前進(jìn)模式，而左轉(zhuǎn)模式與右轉(zhuǎn)模式剛好與之前相反，當(dāng)前面探頭一側(cè)檢測(cè)到跑道另一側(cè)卻沒(méi)有，而后面探頭不能檢測(cè)到鐵絲的時(shí)候(鐵絲在兩個(gè)探頭中間)，此時(shí)可以確定為彎道，此時(shí)調(diào)用左轉(zhuǎn)模式與右轉(zhuǎn)模式；這樣用不同的模式在加上PID算法來(lái)應(yīng)對(duì)不同的情況，能夠最大限度的提升小車的行駛穩(wěn)定性的情況下，還能夠加強(qiáng)小車的行駛速度。

3控制算法分析

   在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。PID控制器又稱PID調(diào)節(jié)器，是工業(yè)控制中系統(tǒng)中常用的有源校正裝置。可以用軟件實(shí)現(xiàn)PID控制算法，而且可以利用計(jì)算機(jī)的邏輯功能，使PID控制更加靈活。數(shù)字PID控制生產(chǎn)過(guò)程是一種最普遍采用的控制方法

系統(tǒng)的傳感器得到的測(cè)量結(jié)果 控制器作出決定 通過(guò)一個(gè)輸出設(shè)備來(lái)作出反應(yīng) 控制器從傳感器得到測(cè)量結(jié)果，然后用需求結(jié)果減去測(cè)量結(jié)果來(lái)得到誤差。然后用誤差來(lái)計(jì)算出一個(gè)對(duì)系統(tǒng)的糾正值來(lái)作為輸入結(jié)果，這樣系統(tǒng)就可以從它的輸出結(jié)果中消除誤差。

最為理想的控制當(dāng)屬比例-積分-微分控制規(guī)律。它集三者之長(zhǎng)：既有比例作用的及時(shí)迅速，又有積分作用的消除余差能力，還有微分作用的超前控制功能。

當(dāng)偏差階躍出現(xiàn)時(shí)，微分立即大幅度動(dòng)作，抑制偏差的這種躍變；比例也同時(shí)起消除偏差的作用，使偏差幅度減小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制規(guī)律，因此可使系統(tǒng)比較穩(wěn)定；而積分作用慢慢把余差克服掉。只要三個(gè)作用的控制參數(shù)選擇得當(dāng)，便可充分發(fā)揮三種控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，得到較為理想的控制效果。

本方案采用單回路PID控制方案，選取電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)值作為反饋信號(hào)，此方案間接對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制