任务名称
2022年_10月_A题 - 无线充电可循迹电动小车
任务要求
难度
一、任务
设计并制作一个无线充电电动小车，包括无线充电装置一套。电动小车机械部分可采用成品四轮玩具车改制。小车采用 TI 的 MCU 平台控制。小车地面投影不大于 A4 纸大小，高度、重量不限。沿地面的黑色轨迹行驶。
二、要求
- 自制一套无线充电装置。其发射器线圈放置在地面，发射器采用具有恒流、恒压模式自动切换的直流稳压电源供电，供电电压为 15V，供电电流不大于 0.5A；无线充电接收器安装在小车底盘上，电动小车使用适当容量超级电容储能，经 DC-DC 变换给电动小车供电。使用一个发光管指示小车供电状态，当小车有电时，发光管点亮。车上不得采用电池等其他储能供电器件。（10 分）
- 打开直流稳压电源给充电装置发射器供电 1 分钟后关闭。当电动小车检测到发射器停止充电发射时，立即自行启动，向前沿直线水平行驶，直至能量耗尽，行驶距离不小于 0.5m。（30 分）
- 小车起始位置为圆角中心 A 点。充电 1 分钟后，电动小车沿地面的黑色轨迹行驶，电动小车行驶的圈数越多越好。黑色轨迹为圆角矩形形状，采用 1.8cm 宽的黑色胶带贴制，如图 1 所示。（50 分）
- 其他（10 分）
- 设计报告（20 分）
三、说明
- 电动小车控制平台必须采用 TI 的 MCU 平台。超级电容的容量可根据充电器充入的电荷量及小车行驶所需电流、时间和车重等因素综合考虑。无线充电电动小车是一个比较复杂的工程问题，通过提高充、放电效率，减轻车重，优化电机驱动，降低控制功耗及适当选取超级电容容量等，可以增加电动小车的行驶距离。
- 电动小车位置定位参考点为小车后沿。
- 确保发射器供电为 15V，电流不大于 0.5A。不符合要求不予测试。
- 测试时，要求小车先充电、放电运行数次。保证测试时小车无预先额外储能，以保证测试公平性。正式测试允许运行两次，取最好成绩记录。小车从充电开始起至小车停车期间为自动行驶状态，严禁人为触碰或遥控小车。违规不予测试。
- 要求（2）测试中，可以沿图 1 的长边轨迹行驶，也可以不循迹行驶。
- 要求（3）测试中，小车自动行驶后，允许及时移除充电发射器线圈。小车行驶圈数精确到 1/4 圈。电动小车自动行驶中，如果全车地面投影离开行车轨迹线，测试结束。轨迹仅采用黑色胶带标记，不得额外使用其他任何物品。地面材质不限、背景颜色自定。测试时必须自带符合题目要求的地面轨迹装置。
参考答案
GPT-4o给出的设计方案：
一、系统概述
设计并制作一个无线充电电动小车，包含无线充电装置一套。电动小车可使用常见的四驱玩具车进行改装，并采用 TI 的 MCU 平台控制。小车需要按照指定的轨迹行驶，并能够通过黑色边缘的检测实现路径跟随。
二、硬件设计
1. 无线充电系统
（1）、发送器
- 发射线圈与驱动电路： 设计一个发射线圈与驱动电路，将电能通过电磁感应传输给小车上的接收电路。
- 恒压模式： 使用恒压输出的直流稳压电源，输出电压为 15V，最大电流不大于 0.5A。
- 电压调节与保护电路： 包括过流、过压、过温保护电路，确保系统工作安全。
（2）、接收器
- 接收线圈与整流电路： 的接收线圈接收发射端的电能，通过整流电路转换为直流电。
- DC-DC 转换： 使用高效 DC-DC 转换电路将电压变换为电动小车所需的电压。
- 储能电路： 包括储能电池组与充电管理电路，当小车断电时，自动切换为电池供电。
2. 小车运动控制系统
（1）、主控MCU（如TI的MSP430或TIVA系列）
- 负责处理所有传感器数据、控制电机和通信模块。
（2）、红外传感器
- 位置检测： 布置在小车底部，用于跟踪路径上的黑色边缘，检测黑色边缘的变化。
- 反射强度： 通过检测反射强度的变化来判断小车是否在黑色轨迹上行驶。
（3）、电机驱动电路
- PWM调速： 通过PWM信号控制驱动电机，以实现速度调节和方向控制。
- 电机模块： 使用H桥电机驱动模块（如L298N），用于控制四个电机进行前进、后退、左右转弯等操作。
三、软件设计
1. 控制算法
（1）、路径跟踪算法
- 传感器数据处理： 读取并处理红外传感器的状态，判断小车当前位置。
- 路径调整： 根据传感器数据调整小车的运动方向，确保在黑色边缘上行驶。
- PID控制： 使用PID控制算法，对偏离路径的误差进行反馈控制，使小车能平滑转弯及直行。
2. 充电管理
- 充电状态检测： 检测收到电能时启动充电管理模式，切换供电状态。
- 电池管理系统： 实现电池的充电控制、放电控制及电池保护功能。
3. 软件流程
- 初始化系统： 初始化MCU，配置ADC、PWM等外设。
- 传感器校准： 启动时对传感器进行校准，获取正确的阈值。
- 主循环：
- 读取传感器数据；
- 执行路径跟踪算法；
- 调整小车运动方向和速度；
- 充电检测： 定时检测充电状态，若检测到充电电流，则切换至无线充电模式。
四、调试与测试
1. 硬件调试
- 无线充电系统:
- 发射和接收线圈的匹配度；
- 电源输出是否稳定，保护电路是否有效；
- 小车运动控制：
- 传感器的灵敏度和响应时间；
- 电机的驱动能力、转向和速度控制的准确性；
2. 软件调试
- 路径跟踪算法：
- 在障碍物和复杂路径条件下小车是否能准确沿黑色边缘行驶。
- PID参数调试：
- 通过实验调整PID参数，确保小车在直线路段和拐弯处的响应速度与稳定性。
3. 综合测试
- 充电与行驶测试：
- 模拟实际使用情况，小车在完成某一段行驶后自动进入充电区域并充电；
- 测试小车从充电区域驶出后能否继续准确沿黑色边缘行驶。
五、系统优化
1. 提高定位和充电效率
- 优化无线充电发射接收效率，减少电能损耗。
- 提高小车红外传感器采样率和计算效率。
2. 增强稳定性
- 通过更高阶的滤波算法或硬件加速模块，减少电流和电压的噪声影响。
- 优化控制算法，提高小车对路径偏移的响应速度。
3. 人机交互优化
- 增设显示屏或语音模块，反馈当前系统状态。
通过上述设计方案，可以实现一个基于无线充电的电动小车，实现指定的路径行驶并能实现自动充电的功能。在满足题目要求的基础上，进一步优化系统的稳定性和操作性。
该题目考察的知识点：
- 电磁感应原理： 理解电磁感应的基本原理，包括发射和接收线圈之间的能量传输。
- 电源管理： 包括电压调节、整流电路、DC-DC转换和电池管理系统等，确保小车在充电过程中电能平稳转换与分配。
- 保护电路设计： 设计有效的过流、过压和过温保护电路以确保系统安全。
自动驾驶控制系统
- 运动控制： 利用PWM信号控制电机驱动，实现小车的前进、后退和方向控制。
- 轨迹跟踪算法： 处理红外传感器数据，执行路径检测和反馈控制算法，通过PID算法实现精确的轨迹跟踪。
- 传感器使用与校准： 通过红外传感器检测路径边缘，进行必要的标定和调试以确保传感器响应准确。
嵌入式系统设计
- 嵌入式平台应用： 使用TI的MCU（如MSP430或TIVA系列）作为主控平台，负责传感数据处理、运动控制以及无线通信。
- 软件编程： 编写嵌入式C语言程序，完成数据采集、处理、传输和控制等功能，并实现实时性要求。
- 系统优化： 通过调试与优化提高系统的稳定性和效率，包括提高传感器信号采样率、优化控制算法和减少电能损耗。
通过这一系列的知识点，考察学生在无线充电、自动驾驶控制和嵌入式系统设计方面的综合能力与应用实践能力。
