跷跷板设计

电动车跷跷板（F题）
【本科组】
一、任务
设计并制作一个电动车跷跷板，在跷跷板起始端A一侧装有可移动的配重。

配重的位置可以在从始端开始的200mm～600mm范围内调整，调整步长不大于50mm；配重可拆卸。

电动车从起始端A出发，可以自动在跷跷板上行驶。

电动车跷跷板起始状态和平衡状态示意图分别如图1和图2所示。

二、要求
1.基本要求
在不加配重的情况下，电动车完成以下运动：
（1）电动车从起始端A出发，在30秒钟内行驶到中心点C附近；
（2）60秒钟之内，电动车在中心点C附近使跷跷板处于平衡状态，保持平衡5秒钟，并给出明显的平衡指示；
（3）电动车从（2）中的平衡点出发，30秒钟内行驶到跷跷板末端B处（车头距跷跷板末端B不大于50mm）；
（4）电动车在B点停止5秒后，1分钟内倒退回起始端A，完成整个行程；
（5）在整个行驶过程中，电动车始终在跷跷板上，并分阶段实时显示电动车行驶所用的时间。

2.发挥部分
将配重固定在可调整范围内任一指定位置，电动车完成以下运动：
（1）将电动车放置在地面距离跷跷板起始端A点 300mm以外、90°扇形区域内某一指定位置（车头朝向跷跷板），电动车能够自动驶上跷跷板，如图3所示：
（2）电动车在跷跷板上取得平衡，给出明显的平衡指示，保持平衡5秒钟以上；
（3）将另一块质量为电动车质量10％～20％的块状配重放置在A至C间指定的位置，电动车能够重新取得平衡，给出明显的平衡指示，保持平衡5秒钟以上；
（4）电动车在3分钟之内完成（1）～（3）全过程。

（5）其他。

三、说明
（1）跷跷板长1600mm、宽300mm，为便于携带也可将跷跷板制成折叠形式。

（2）跷跷板中心固定在直径不大于50mm的半圆轴上，轴两端支撑在支架上，并保证与支架圆滑接触，能灵活转动。

（3）测试中，使用参赛队自制的跷跷板装置。

（4）允许在跷跷板和地面上采取引导措施，但不得影响跷跷板面和地面平整。

（5）电动车(含加在车体上的其它装置)外形尺寸规定为：长≤300mm，宽≤200mm。

（6）平衡的定义为A、B两端与地面的距离差d=∣dA-dB∣不大于40mm。

（7）整个行程约为1600mm减去车长。

（8）测试过程中不允许人为控制电动车运动。

（9）基本要求（2）不能完成时，可以跳过，但不能得分；发挥部分（1）不能完成时，可以直接从（2）项开始，但是（1）项不得分。

电动车跷跷板 2007年电子设计大赛电动车跷跷板题目分析~
首先看基本要求：
第一点：从第一点看出车的速度要求，抛开车身长度，从A点出发后要到达C点，最小平均车速应该在750mm/30S=25mm/S以上，市售的小车很难达到这样的速度，因此需要使用PWM调速或者减速机构。

以四驱车为例，四驱车有很高的传动比，仅使用PWM调速会是电机转矩缩小，因此仅仅使用PWM调速可能会引起转矩不足，不能爬上跷跷板的问题，因此还需要配合减速机构来使用。

建议车速能够在0mm/S到100mm/S之间可调，也不要直接使用四驱车等车的传动机构，而是增加一级减速齿轮。

同时，由于平衡是一个动态过程，电机还需要反转控制。

因此，电机的控制电路可以使用晶体管构建H桥驱动，或者使用专用的驱动芯片如L298。

第二点：要是车能够平衡在某一点上，最重要的一点，需要使用传感器来车辆车的水平，在大赛给出的材料中有角度传感器，直接使用角度传感器来测量车体水平方向和铅垂方向的角度自然是最好的方式，一来传感器灵敏度合适，响应速度好。

但是也许收一些条件限制，无法使用角度传感器。

这些天也一直有人在问角度传感器的问题，笔者有两个可以建议的简单方法：
虽然精度不如角度传感器，但由于是直接光电传感器，数字信号的处理省去了复杂的调理电路和AD采样电路（笔者没有使用过角度传感器，不知道是否需要使用调理电路和AD 电路）
方法一：使用铅垂线+光折断器。

市售的光折断器的尺寸小的能在5mm左右，也就是说，能检测到5mm的尺寸变化，按照大赛对平衡要求，平衡时平衡夹角Υ正切值为40/1600=1/40，也就是说，如果需要到达5mm的检测精度，需要使用200mm高的铅垂线，需要更高的精度，可以通过提高铅垂线的长度来实现。

假设使用3个光折断器来检
测（中间的为A号，两侧为L/R号），并假设车启动前铅垂线的位置是中间的光折断器上（即中间光折断器被折断），理论上不考虑铅垂线的单摆运动是，我们可以认为中间的光折断器被折断时，车处于平衡位置。

由于使用的铅垂线会做单摆运动，我们可以认为当铅垂线两侧摆幅一致时认为已经达到平衡，通过测量单摆从A-L，以及A-R的时间来分析单摆中心的偏移角度，如果算法过于复杂，也可以通过设置时限的方式来判断单摆是否位于A号折断器位置。

如果单摆在规定的时间内不通过L和R，及可以认为单摆摆副小于平衡夹角Υ，可认为车达到平衡。

方法二：使用水平仪+光折断器。

水平仪大家应该都知道，该方法和方法一原理一相同，只是将单摆改成了水平移动的气泡而已。

第三点：当车向B端行进时，需要停留在B端边缘，最关键的就是要防止车掉下跷跷板，那么就需要知道车的停止位置，方法有二：
一是使用反射式光电传感器来检测跷跷板的边沿，这个方法应该是非常简单可靠的了，一般都知道怎么实现；
二是使用光电传感器或磁传感器对车本身计算前进的距离来实现准确位置的停车，由于车在平衡过程中需要前后运动，因此，对车轮转数的计量需要使用辩向记数的方法来实现（即要计前进还要计后退）。

关于其他，配重的选择也很重要，属于杠杆类的基本物理知识了，只要你的车在上面不会自己滑下来就好了。

呵呵。

第四点和第五点：计时的东西就很简单了，而且精度要求不高，偶就不在赘述了。