GPT-4o给出的设计方案

一、设计方案概述

设计一个门形支架的小球运动控制装置。该装置通过电机控制导轨的上下运动和小球在导轨上的滑动，实现小球的准确定位与往复运动。包括电机、导轨、小球、触发机构、显示与控制系统等。

二、硬件结构设计

1. 机械结构

   • U型导轨：长度60cm±5cm，宽度与滑动小球直径匹配，确保足够光滑。
   • 小球：直径在6-20mm范围内，不同材质均可，但需避免反弹滚动。
   • 触发机构：设置在导轨两端，使用机械限位开关或光电传感器，当小球触发时发出声音或光信号。
   • 电机及传动装置：控制导轨的上下倾斜角度调整。

2. 电子控制系统

   • 电机控制部分：使用步进电机或伺服电机，通过PWM信号控制电机的速度与方向，精确控制导轨角度。
   • 传感器模块：安装在导轨两端的限位开关或光电传感器，用于检测小球位置。
   • 主控板：使用微控制器（如STM32）接收传感器信号、控制电机、实现角度调整与小球位置定位。
   • 显示与操作部分：包括按键、LCD显示屏，用于显示当前状态和设定目标角度。

三、操作模式与流程

1. 单点定位

   • 小球从静止位置开始，导轨在15s内调整至水平，确保小球在导轨25-35cm区间某一位置静止且不滚动。
   • 使用限位开关或光电传感器检测小球静止位置，控制电机停止。

2. 往复运动控制

   • 小球由原点出发，连续做3次往复运动控制，确保在5-55cm区间内停止。
   • 控制系统通过传感器检测小球位置，并调整导轨角度实现复位。

3. 精确停留操作

   • 按键触发，控制系统调整导轨角度，使小球在30±2cm范围内停止，保持15s。
   • 使用PID控制算法调整电机速度，精确定位小球。

四、具体代码实现

#include <Servo.h>
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>

#define ANGLE_SENSOR_PIN A0
#define BALL_POSITION_PIN A1
#define MOTOR_CONTROL_PIN 9
#define LIMIT_SWITCH_LEFT 2
#define LIMIT_SWITCH_RIGHT 3
#define BUTTON_PIN 4

Servo motor;
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);

void setup() {
    pinMode(ANGLE_SENSOR_PIN, INPUT);
    pinMode(BALL_POSITION_PIN, INPUT);
    pinMode(LIMIT_SWITCH_LEFT, INPUT_PULLUP);
    pinMode(LIMIT_SWITCH_RIGHT, INPUT_PULLUP);
    pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);

    motor.attach(MOTOR_CONTROL_PIN);
    lcd.begin();
    lcd.backlight();
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("Ball Control");
}

void loop() {
    if (digitalRead(BUTTON_PIN) == LOW) {
        moveBallToPosition(30);
    }
    // 控制逻辑
    int currentAngle = analogRead(ANGLE_SENSOR_PIN);
    int ballPosition = analogRead(BALL_POSITION_PIN);

    //显示当前状态
    lcd.setCursor(0, 1);
    lcd.print("Pos: ");
    lcd.print(ballPosition);
    lcd.print(" Angle: ");
    lcd.print(currentAngle);

    delay(100);
}

void moveBallToPosition(int targetPos) {
    int currentPos = analogRead(BALL_POSITION_PIN);
    while (abs(currentPos - targetPos) > 2) {
        int angleAdjust = calculateAngleAdjust(currentPos, targetPos);
        motor.write(angleAdjust);
        delay(100);
        currentPos = analogRead(BALL_POSITION_PIN);
    }
    delay(15000);
}

int calculateAngleAdjust(int currentPos, int targetPos) {
    int error = currentPos - targetPos;
    int adjustAngle = map(error, -50, 50, -45, 45);
    return constrain(adjustAngle, -15, 15);
}

五、测试与验证

1. 系统整体测试

   • 对各种操作模式进行逐项测试，确保小球在规定时间内达到设定位置并稳定停留。
   • 检查限位开关和传感器是否灵敏可靠。

2. 动态响应测试

   • 测试小球在3~8s内完成3次以上往复运动，确保摆动周期可调。
   • 检查往复运动偏离中心的最大位置误差是否在设定范围内。

3. 稳定性测试

   • 小球在原点静止开始，做3次或以上复位运动，确保最终静止于5-55cm位置内，误差不大于2cm。

通过该方案的设计和实施，将能够满足题目中的各项要求，确保小球运动控制系统的精确性和稳定性。

本题目考察的主要知识点：

1. 电机控制：了解并应用电机控制原理，使用电机驱动软硬件控制导轨的角度调整，确保系统实现精准定位。
2. 传感器应用：使用限位开关或光电传感器检测小球位置，确保小球在导轨上的准确定位及运动范围控制。
3. 机械结构设计：设计合理的U型导轨、小球、支架等机械结构，确保系统能够稳定可靠地运行，并且满足小球从不同位置出发及停止的要求。
4. 自动控制：实现复杂的控制算法，如PID控制，以实现小球在导轨上的精确运动。
5. 嵌入式系统编程：使用微控制器（如STM32）进行系统编程，实现传感器数据采集、电机驱动控制以及状态显示功能。