2016年_C题：自动循迹小车

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发布项目

任务名称

2016年_C题：自动循迹小车

任务要求

难度

2016年_C题-自动循迹小车

一、任务

设计制作一个自动循迹小车。小车采用一片 TI 公司 LDC1314 或LDC1000 电感数字转换器作为循迹传感器，在规定的平面跑道自动按顺时针方向循迹前进。跑道的标识为一根直径 0.6~0.9mm 的细铁丝，按照图 1 的示意尺寸，用透明胶带将其贴在跑道上。图中所有圆弧的半径均为为 20cm±2cm。

二、要求

在图 1 小车所在的直线区任意指定一起点（终点），小车依据跑道上设置的铁丝标识，自动绕跑道跑完一圈。时间不得超过 10 分钟。小车运行时必须保持轨迹铁丝位于小车垂直投影之下。如有越出，每次扣 2 分。（40 分）
实时显示小车行驶的距离和运行时间。（10 分）
在任意直线段铁丝上放置 4 个直径约 19mm 的镀镍钢芯硬币（第五套人民币的 1 角硬币），硬币边缘紧贴铁丝，如图 1 所示。小车路过硬币时能够发现并发出声音提示。（20 分）
尽量减少小车绕跑道跑完一圈运行时间。（25 分）
其他。（ 5 分）
设计报告（20 分）

三、说明

自动循迹小车允许用玩具车改装。小车用自带电池供电运行，不能使用外接电源。小车的尺寸为其在地面的投影不超过 A4 纸大小。小车自动运行后，不得有任何人工干预小车运动的行为，如遥控等。
电感传感器除了使用 TI 公司配发的 LDC1314 芯片外，也可使用 LDC1000芯片或模块，数量也仅限一只。不得使用任何其他类型的传感器用于循迹。
跑道除指定的铁丝外，不得另外增加任何标记。跑道附近不应有其他额外金属物体。

参考答案

GPT-4o给出的设计方案：

一、方案论证

设计一个包括无线充电电装置的电动小车系统。发射器采用恒流恒压模式，由直流源供电；接收端安装在小车底盘上，通过DC-DC转换提高电压后储能于超级电容。电动小车应能在指定路面上行驶，并能攀爬角度较大的坡道。这将考察无线充电、能量传递、DC-DC转换、电机驱动和控制算法等知识。

二、理论分析与计算

无线充电：
- 发射端：采用LM7805稳压，提供稳定5V 1A的输出。
- 接收端：接收到的电压经过整流和滤波，再通过TPS63020芯片进行DC-DC升压，供给超级电容。
电动车电机驱动与控制：
- 电动小车：采用四轮驱动，在发射器附近完成充电后，电机控制电动小车行驶。
- 稳定性控制：微控制器如Arduino负责控制电机运转，实时调整小车速度和方向。
能量储存：
- 超级电容：选择容量适合的小型超级电容储能，以确保小车能够供电并完成指定任务。
爬坡计算：
- 根据题目中的爬坡公式 ( h = l \sin \theta )，计算电动小车在不同坡度下的爬坡高度。
- 评估小车电机功率和重心设计，确保其爬坡能力符合题目要求。

三、原理图设计与电路要点

发射器电路：
- 调节LM7805输出电压至5V，提供1A电流。
- LC振荡电路产生工作频率。
接收器电路：
- 使用整流桥进行整流。
- 通过TPS63020实现5V升压。
- 超级电容储能。
电动小车控制电路：
- 电机驱动模块：使用L298N驱动四轮电机。
- 微控制器：使用Arduino或STM32进行控制，实时调节电机转速和方向。

四、核心器件设计要点

LM7805稳压芯片：
- 输入12~24V直流电压。
- 输出稳压5V，最大电流1A。
- 散热片设计确保芯片不会过热。
TPS63020 DC-DC升压芯片：
- 输入电压范围：2.3V至5.5V。
- 输出电压设定为5V。
- 效率高达90%以上。
L298N电机驱动模块：
- 双H桥设计，支持双通道电机驱动。
- 峰值电流2A，连续电流1A。
- 过热保护和电流感测功能。

五、重要功能C代码

若采用MCU如Arduino：

// 电机控制代码示例
const int motorPin1 = 5;
const int motorPin2 = 6;
const int enablePin = 9;

void setup() {
    pinMode(motorPin1, OUTPUT);
    pinMode(motorPin2, OUTPUT);
    pinMode(enablePin, OUTPUT);
    Serial.begin(9600);
}

void loop() {
    int speed = analogRead(A0);  // 从传感器读取速度
    speed = map(speed, 0, 1023, 0, 255);
    digitalWrite(motorPin1, HIGH);
    digitalWrite(motorPin2, LOW);
    analogWrite(enablePin, speed);
    delay(2000);
}

六、Verilog代码

若采用FPGA，则可考虑设计一个PWM模块以控制电机速度：

module pwm(
    input clk,
    input [7:0] duty_cycle,
    output reg pwm_out
);
    reg [7:0] counter;

    always @(posedge clk) begin
        if(counter < duty_cycle)
            pwm_out <= 1;
        else
            pwm_out <= 0;

        counter <= counter + 1;
    end
endmodule

结论

通过合理的电路设计和控制算法，可实现电动小车在充电后稳定爬坡并行驶在不同坡度的路面上。对系统的性能指标进行分析和优化，确保其满足题目要求。在实际应用中，可进一步优化器件选择和代码实现，以提高系统的效率和可靠性。

这个题目考察的主要知识点：

无线充电技术：要求了解无线电能传输的基本原理和实现方法，包括发射和接收端的设计。
DC-DC转换技术：需要掌握如何利用DC-DC转换芯片（如TPS63020）实现电压转换和稳压。
超级电容的使用：理解如何选取和使用超级电容进行能量储存及其充放电特性。
电动小车控制：涉及使用电机驱动模块（如L298N）和微控制器（如Arduino或STM32）控制电机，实现小车的运动和导航。
高效的爬坡能力：需要通过机械设计和电机控制算法，提高小车在特定角度坡度上的持续攀爬能力。
传感器应用：要求掌握使用传感器进行环境感知和数据反馈，实现自动控制和避障功能。