技術(shù)控做的玩具就是酷，小車(chē)蹺蹺板平衡控制系統設計，完整解決方案

項目背景及可行性分析

1. 項目名稱(chēng)、項目的主要內容及目前的進(jìn)展情況

項目名稱(chēng)：基于FPGA的小車(chē)蹺蹺板平衡控制系統設計

項目主要內容：

本項目以FPGA為核心，制作一個(gè)電動(dòng)小車(chē)控制器，使小車(chē)能夠自動(dòng)沿一個(gè)寬30cm，長(cháng)160cm的翹翹板尋跡行駛，并能調節小車(chē)位置使翹翹板傾斜某一設定角度，保持靜止平衡。當另有外力使翹翹板失衡時(shí)，小車(chē)自動(dòng)尋找新的平衡點(diǎn)，使翹翹板重新達到平衡。如圖1、圖2所示。系統靜態(tài)誤差小于1度，超調量小于10％。項目制作中，將通過(guò)理論研究和反復實(shí)驗對控制算法和控制參數進(jìn)行優(yōu)化力求達到最快調節速度和最小誤差，為控制工程提供一個(gè)真實(shí)的物理仿真實(shí)驗裝置。

圖一

圖二

目前的進(jìn)展情況：

本項目于前期已做了較為充分的理論準備工作，經(jīng)過(guò)理論推導，建立了受控對象和控制系統的數學(xué)模型，研究和比較了系統的相關(guān)控制算法。項目車(chē)體部分、光電傳感器部分、電機驅動(dòng)部分、角度傳感器部分、信號調理放大電路、電機驅動(dòng)電路、系統供電電路等部件均已設計制作完成，有關(guān)的外圍電路印制板也已焊接調試成功，并分別通過(guò)調試。目前正在對系統進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，并著(zhù)手編寫(xiě)程序，待獲得FPGA開(kāi)發(fā)平臺后，即可開(kāi)始程序調試及系統聯(lián)調實(shí)驗。

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

本項目的關(guān)鍵技術(shù)在于利用FPGA的快速數據處理功能和豐富靈活的接口資源，建立一個(gè)能對小車(chē)翹翹板系統進(jìn)行控制的硬件平臺，在此基礎上研究各種控制算法，應用實(shí)驗平臺對控制算法進(jìn)行驗證，對翹翹板的非穩定平衡狀態(tài)進(jìn)行有效的控制，使之處于平衡靜止狀態(tài)并能夠保持。本項目的受控對象是一個(gè)非線(xiàn)性高階系統，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)研究結論可應用于飛行器姿態(tài)控制、機器人平衡控制等方面，涉及非線(xiàn)性信號處理、非線(xiàn)性控制、控制參數自動(dòng)優(yōu)化等技術(shù)。

本項目的創(chuàng )新點(diǎn)在于，把FPGA的高速并行數據處理特性綜合應用到了一個(gè)在控制領(lǐng)域中人們所感興趣而又難以被控制的非穩定受控過(guò)程中，利用FPGA為控制系統研究提供了一個(gè)通用性好，廉價(jià)而實(shí)用的實(shí)驗平臺，為理論研究結果建立一個(gè)實(shí)驗物質(zhì)條件，增強理論和實(shí)踐的相結合。同時(shí)，該項目富有趣味性和知識性，可以激發(fā)更多電子愛(ài)好者的興趣，擴大FPGA的應用層面。

3. 技術(shù)成熟性和可靠性論述：

小車(chē)平衡態(tài)的控制類(lèi)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，并已應用于機器人平衡，飛行器姿態(tài)控制等。理論和實(shí)踐都證明系統是可實(shí)現的。小車(chē)的控制采樣周期大約毫秒數量級就可滿(mǎn)足基本要求，所以，FPGA的速度完全可以滿(mǎn)足要求。而FPGA所具有的靈活的邏輯組合配置，足以完成小車(chē)運行所需要的控制邏輯和運行協(xié)調。系統所使用的各傳感器及其信號調理電路已經(jīng)調試成功。這些先行工作和已成熟技術(shù)為系統的成功實(shí)現提供聯(lián)保證條件。在可靠性方面，系統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，機械緊固件采取鎖緊措施。由于系統不與外界電氣連接，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(mén)狗定時(shí)器，保證系統程序跑飛后能夠自動(dòng)恢復運行。

圖3

項目實(shí)施方案

1. 方案基本功能框圖及描述

系統框圖如圖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)傳感器的數值，并經(jīng)過(guò)處理后獲得小車(chē)的運行狀態(tài)，根據小車(chē)的當前狀態(tài)采取相應的控制算法計算出電機所需的控制電壓值，進(jìn)而，該控制電壓值經(jīng)過(guò)PMW處理后輸出到小車(chē)驅動(dòng)電機，使小車(chē)按照希望的規律運動(dòng)。為了使程序流程清晰簡(jiǎn)潔，框圖中以一個(gè)標志信號來(lái)記錄小車(chē)所運行的階段，控制器則根據小車(chē)所處的運行階段進(jìn)行相應的控制。

2.需要的開(kāi)發(fā)平臺

根據本系統所需達到功能要求和性能要求，系統需要完成傳感器模擬量的數據采集和光電傳感器電平數據的采集，需要對采集的數據進(jìn)行處理和輸出，需要對小車(chē)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)，根據系統要求和所要完成的功能，Spartan-3E芯片（XC3S500E-4FG320C）配以相應的開(kāi)發(fā)環(huán)境，完全可以完成系統控制要求，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初級板，本項目需要與Spartan-3E初級板相配套的開(kāi)發(fā)軟件和編譯調試工具和環(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）用于檢測小車(chē)運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）用于檢測小車(chē)傾角的角度傳感器信號調理模塊，5）用于驅動(dòng)直流伺服電機的驅動(dòng)模塊，6）用于顯示系統狀態(tài)和輸入指令的人機界面模塊，7）AD轉換模塊，8）碰觸檢測模塊，8）在擴展功能中，用于擴大檢測小車(chē)狀態(tài)的視頻處理模塊，等等。

軟件系統中也按模塊編程，包括：1）人機交互模塊，2）電機驅動(dòng)PWM運算模塊，3）平衡控制計算模塊，4）運行軌跡尋找與跟蹤模塊，信號檢測及標度模塊，5）系統協(xié)調模塊

3.系統最終要達到的性能指標

該項目將完成小車(chē)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定。小車(chē)在引導線(xiàn)的引導下自動(dòng)登爬蹺蹺板，并在平衡位置達到靜態(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。系統靜態(tài)誤差小于1度，超調量小于10％。在基本功能實(shí)現的情況下，將進(jìn)一步優(yōu)化參數，提高運行速度和減少調節時(shí)間和靜態(tài)誤差。

需要的其它資源

1.設計輸入輸出功能子板

子板功能為：1）產(chǎn)生系統所需的各種電壓，為系統各部件提供電源。2）為角度傳感器提供參考電源，對角度傳感器的輸出信號進(jìn)行放大調理，并進(jìn)行AD轉換，得到與角度成比例的數字信號。3）將紅外光電傳感器的電壓信號整形為標準邏輯電平。4）將控制信號放大，為直流電機提供驅動(dòng)能力。

子板接口為標準pin口，使用標準接插件。

2.測試設備

PC機、萬(wàn)用表、直流穩壓電源、秒表、卷尺、量角器等

3.方針、開(kāi)發(fā)工具

Spartan-3E初級板，ISE9.1，Modesim se，EDK9.1，Synplify pro，Chipscope pro9.1