专利汇可以提供智能双车通信及跟随教学实验装置和实验方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种智能双车通信及跟随教学实验装置和方法,本装置包括安装在前车的前车系统和安装在后车的后车系统,前车系统和后车系统均包括主控设备、电源供压装置、直流 电机 驱动装置、转向控制装置、无线通信装置、 液晶 屏、测速装置、测距装置、拨码 开关 及按键装置,前后车系统通过测距装置测量前后车初始车距,前后车系统通过无线通信装置接收PC机发来的设定好的前车的目标速度和目标打 角 ,通过增量式PID控制调整实际速度以及通过转向控制装置调整实际打角以接近设定值,实现前后车的通信及跟随的教学过程;本装置和方法,使高校控制类、通信工程类专业实验教学得到良好的教学效果,使学生可以生动直观地掌握专业知识。,下面是智能双车通信及跟随教学实验装置和实验方法专利的具体信息内容。
1.智能双车跟随及通信实验方法,使用智能双车跟随及通信实验设备,包括安装在前车上的前车系统和安装在后车上的后车系统,前车系统包括主控设备(1)、电源供压装置(2)、直流电机驱动装置(3)、转向控制装置(4)、无线通信装置(5)、液晶屏(6)、测速装置(7)、测距装置(8)、拨码开关及按键装置(9)和PC机,主控设备(1)信号接口与直流电机驱动装置(3)、转向控制装置(4)、无线通信装置(5)、液晶屏(6)、测速装置(7)、测距装置(8)、拨码开关及按键装置(9)的信号接口相连,主控设备(1)、无线通信装置(5)、测速装置(7)、测距装置(8)、拨码开关及按键装置(9)、液晶屏(6)、转向控制装置(4)和直流电机驱动装置(3)的电压输入接口分别与电源供压装置(2)连接以获取电压,直流电机驱动装置(3)输出端齿轮与车体后轮齿轮啮合,转向控制装置(4)输出端通过拉杆与车体前轮转向节相连,测速装置(7)输入端测速齿轮与车体后轮齿轮啮合;主控设备(1)中有计时器,脉冲宽度调制器,脉冲累加器,定时中断器;车系统的结构和各部件之间的连接关系与上述的前车系统相同,前车系统中的测距装置(8)悬置且贴合在前车车体后端上,后车系统中的测距装置(8)悬置且贴合在后车的舵机上;PC机可以通过无线通信装置(5)与前车系统和后车系统进行通信,其特征在于,步骤如下:
步骤一:前后车初始测距:
前车系统和后车系统中的测距装置(8)配合工作,利用超声波的发送和接收测量两车之间的距离,其中一个脉冲高电平时间表示超声波从前车到后车的传播时间,使用主控设备(1)中的计时器测得的脉冲高电平的时间;
两车之间初始距离计算公式:
初始距离L0=t×vvoice
其中t是主控设备(1)所测得的脉冲高电平时间,vvoice是声速,取340m/s步骤二:前车系统获取PC机设定的前车系统当前时刻目标速度v和前车系统当前时刻的目标打角α:
PC机给前车系统的无线通信装置(5)发送信号,前车系统获取使用者在PC机上位机上设定的前车系统当前时刻目标速度v和前车系统当前时刻的目标打角α;
步骤三:前车系统转向控制装置(4)对转动角度的控制:
前车系统将接收到的前车系统当前时刻的目标打角α经过计算得到前车系统的脉冲宽度T1并通过主控设备(1)的脉冲宽度调制器控制转向控制装置(4)转动,前车系统的转向控制装置(4)的转动角度α1'与前车系统的脉冲宽度T1的关系计算公式为:
其中T1为前车系统的脉冲宽度,单位为ms;α1'为前车系统的转向控制装置(4)的转动角度,脉冲周期为20ms;
步骤四:前车系统通过前车系统中的测速装置(7)获取前车系统在n时刻的实际速度v1(n):
用主控设备(1)的脉冲累加器来捕捉脉冲并计数,开启定时中断器,就可以测得定时中断的周期p之内的脉冲数x
前车系统在n时刻的实际速度v1(n)计算公式:
其中x是脉冲个数,a是测速装置(7)输入端测速齿轮的齿数,d是前车后轮直径,b是前车后轴齿轮齿数,c是测速装置转动一圈所产生的脉冲数,p是定时中断的周期;
步骤五:将前车系统从0到n时刻为止各个时刻的实际速度v1(0),v1(1),······v1(n)积分得到前车系统从0到n时刻为止所走过的路程S1(n):
主控设备(1)所计算出的前车系统的实际速度为离散变量v1(i),其中v1(i)为前车系统在i时刻的实际速度,其中i时刻为从0时刻到n时刻这一时间段中的任一时刻,故积分公式简化为 即只需把前车从0到n时刻为止各个时刻的实际速度求和就能得到前车系统从0到n时刻为止前车系统所走的路程S1(n);
步骤六:通过增量式PID控制,使前车系统在n+1时刻的实际速度v1(n+1)接近预定的前车系统当前时刻目标速度v:
由于实际速度与目标速度总有偏差,使用增量式PID速度调节提高车速的稳定性,减小实际速度与目标速度的偏差,在n时刻将测速装置(7)获取的前车系统在n时刻的实际速度v1(n)与前车系统当前时刻目标速度v进行比例环节和积分环节的调整;
设n时刻电机电压un为控制量,增量式PID输出的控制量的增量为△un,则n-1时刻电机电压为un-1,增量式PID输出的是控制量的增量为△un-1;
因此电机电压应是un=un-1+△un
增量式PID输出的是控制量的增量△un=un-un-1=A(en-en-1)+Ben+C(en-2en-1+en-2);
前车系统当前时刻目标速度v和前车系统在n时刻的实际速度v1(n)的差值为en=v-v1(n),en-1=v-v1(n-1),en-2=v-v1(n-2),A,B,C为待定参数;
待定参数A,B,C的取值按以下方法:
先把待定参数B,C设定为0,把待定参数A从0开始逐渐增大,不断地运行前车系统或后车系统,直到前车系统或后车系统刚好发生超调,待定参数A设为前车系统或后车系统刚好发生超调时的60%到80%;
然后参数A不变,把待定参数B从0开始逐渐增大,不断地运行前车系统或后车系统,直到前车系统或后车系统刚好发生超调,待定参数B设为前车系统或后车系统刚好发生超调时的60%到80%;
最后待定参数C设为0;
步骤七:前车系统通过无线通信装置(5),给后车系统发送前车系统当前时刻目标速度v,前车系统当前时刻的目标打角α以及前车系统从0到n时刻为止前车系统所走的路程S1(n):
前车系统将从PC机接收到的全部数据包括前车系统当前时刻目标速度v,前车系统当前时刻的目标打角α以及前车系统从0到n时刻为止前车系统所走的路程S1(n),通过前车系统和后车系统中的无线通信装置(5)发送给后车系统;
后车系统接收到前车系统当前时刻的目标打角α和前车系统从0到n时刻为止前车系统所走的路程S1(n)后,由于前车系统不同时刻的目标打角α的值是不同的,将不同时刻的α的值以数组的形式保存,使α(n)=α;
其中α(n)是的前车系统在n时刻的目标打角,且α(n)和S1(n)一一对应
步骤八:后车系统根据自己所在位置,调整后车系统当前时刻的目标打角α2后车速度积分得到后车到m时刻为止后车所走过的路程S2(m)
由积分公式 得到后车路程S2(m)
由步骤一测得前后车初始距离L0,再测出后车车身的长度X2,因此后车的初始路程为-(L0+X2),后车路程S2在-(L0+X2)到0之间舵机打角为0,后车路程S2>0之后按照前车发来的数据行驶;
后车系统接收到的前车路程S1和后车计算得到的后车路程S2都是离散的,所以在m时刻后车系统计算得到的后车路程S2(m)可能是在已接收并保存的两个相邻路程S1(n)和S1(n+
1)之间,后车系统将取所保存的两个路程所对应的两个目标打角取平均值后作为后车系统当前时刻的目标打角α2;
m时刻后车系统检测到自己的当前路程为S2(m),而后车系统通过步骤七接收到的前车路程S1内最接近S2(m)的有两组数据S1(n)、S1(n+1),其中,S1(n)为前车系统从0到n时刻为止前车系统所走的路程,S1(n+1)为前车系统从0到n+1时刻为止前车系统所走的路程与前车系统从0到n时刻为止前车系统所走的路程S1(n)对应的打角是前车系统在n时刻的目标打角α(n);
与前车系统从0到n+1时刻为止前车系统所走的路程S1(n+1)对应的打角是前车系统在n+1时刻的目标打角α(n+1);
则后车系统当前时刻的目标打角α2满足以下关系:
α2=α(n) (S2(m)=S1(n))
α2=(α(n)+α(n+1))/2 (S1(n)
步骤九:后车系统根据后车系统m时刻的目标打角α2控制转向控制装置(4)实现转向,根据前车系统m时刻的目标速度v和后车系统在m时刻的实际速度v2(m)通过PID调节控制智能车m+1时刻的实际速度v2(m+1);
经过计算得到后车系统的的脉冲宽度T2并通过转向控制装置(4)控制转向,后车系统的转向控制装置(4)的转动角度α2'与后车系统的脉冲宽度T2的关系计算公式为:
其中T2为正脉冲宽度(ms);α2'为后车系统的转向控制装置(4)的转动角度;脉冲周期为
20ms
之后用主控设备(1)的脉冲计数器来捕捉脉冲并计数,开启定时中断,就可以测得定时中断的周期p之内的脉冲数x
后车系统在m时刻的实际速度v2(m)计算公式:
其中x是脉冲个数,a是测速装置(7)输入端测速齿轮的齿数,d'是后车后轮直径,b'是后车后轴齿轮齿数,c是测速装置转动一圈所产生的脉冲数,p是定时中断的周期;
再经过增量式PID控制:
由于实际速度与目标速度总有偏差,使用增量式PID速度调节提高车速的稳定性,减小实际速度与目标速度的偏差,在m时刻将测速装置(7)获取的后车系统在m时刻的实际速度v2(m)与前车系统当前时刻的目标速度v进行比例环节和积分环节的调整;
设m时刻电机电压um为控制量,增量式PID输出的控制量的增量为△um,则m-1时刻电机电压为um-1,增量式PID输出的是控制量的增量为△um-1;
因此电机电压应是um=um-1+△um
增量式PID输出的是控制量的增量△um=um-um-1=A(em-em-1)+Bem+C(em-2em-1+em-2);
前车系统当前时刻的目标速度v和后车系统在m时刻的实际速度v2(m)的差值为em=v-v2(m),em-1=v-v2(m-1),em-2=v-v2(m-2),A,B,C为待定参数;
待定参数A,B,C的取值按以下方法:
先把待定参数B,C设定为0,把待定参数A从0开始逐渐增大,不断地运行前车系统或后车系统,直到前车系统或后车系统刚好发生超调,待定参数A设为前车系统或后车系统刚好发生超调时的60%到80%;
然后参数A不变,把待定参数B从0开始逐渐增大,不断地运行前车系统或后车系统,直到前车系统或后车系统刚好发生超调,待定参数B设为前车系统或后车系统刚好发生超调时的60%到80%;
最后待定参数C设为0;
步骤十:后车系统的无线通信装置(5)把后车系统在m时刻的实际速度v2(m)和后车系统在m时刻的所走的路程S2(m)发送给PC机并在PC机上显示。
2.根据权利要求1所述的智能双车跟随及通信实验方法,其特征在于:所述电源供压装置(2)包括电池(10)、5V稳压模块、3.3V稳压模块、6V稳压模块、12V稳压模块、测压模块,电池(10)与5V稳压模块、6V稳压模块的输入接口相接,5V稳压模块输出接口与3.3V稳压模块、
12V稳压模块的输入接口相接,测压模块输入接口与电池(10)相连,电源供压装置(2)的5V稳压模块的输出接口与主控设备(1)、无线通信装置(5)、测速装置(7)、测距装置(8)、拨码开关及按键装置(9)的电压输入接口相连;电源供压装置(2)的3.3V稳压模块的输出接口与液晶屏(6)的电压输入接口相连;电源供压装置(2)的6V稳压模块的输出接口与转向控制装置(4)的电压输入接口相连;电源供压装置(2)的12V稳压模块的输出接口与直流电机驱动装置(3)的电压输入接口相连。
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