【正文】 車輪上部向內傾側 ,導致車輪聯接件損壞。所以事先將車輪校偏一個正外傾角度 ,一般這個角度約在 1176。左右 ,以減少承載軸承負荷 ,增加零件使用壽命 ,提高汽車的安全性能。 模型車提供了專門的外傾角調整配件 ,近似調節(jié)其外傾角。由于競賽中模型主要用于競速 ,所以要求盡量減輕重量 ,其底盤和前橋上承受的載荷不大 ,所以外傾角調整為 0176。即可。 舵機安裝 舵機延時分析 舵機的響應時間對于控制非常重要 ,舵機能夠及時響應微控制器發(fā)出的指令并產生相應的動作可以保障智能車在高速行駛過程中能夠及時轉彎 ,不脫離軌道。否則 ,即使控制算法再好 ,輸出控制信號后 ,執(zhí)行器 (舵機 )沒有動作 ,則也達不到預期的控制效果。例如 ,微控制器已經根據賽道信息發(fā)出了轉彎指令 ,但舵機響應控制信號延遲 ,則會出現已經到了彎道跟前 ,但是舵機卻還沒有轉動的情況 ,智能車在慣性的作用下依舊向前沖 ,等舵機轉動時小車車身已經偏離出軌道了。情況好的 ,在減速剎車后經過一段時間還能轉回來 ,駛上正常的軌道 。情況壞的則會沖出賽道 ,導致攝像頭檢測不到正確的賽道信息 ,不能夠繼續(xù)行駛。 在之前的比賽中 ,有很多隊伍都提到了舵機的響應會滯后 ,但是沒有分析原因 ,導致有些隊伍無法對癥下藥 ,不得不以犧牲速度為代價 ,來換取智能車平安完成比賽。在此 ,我們對舵機延時的原因做一個比較詳細的分析 ,以便做出相應的改進。 ① 微控制器輸出周期延時 前面已經提及 ,我們利用 K60微控制器內部集成的 PWM模塊產生周期一定 ,占空比 (及脈寬 )可調的 PWM 波形。而控制 PWM 波周期和占 空比是通過 K60 微控制器的一個 16 位的內部寄存器來實現的 ,它們是 PWMPERx(PWM Period)和 PWMDTYx(PWM Duty),其中 x 代表 0~7 通道的序號。設定好這 兩個寄存器的值后 (具體的設置還與系統(tǒng)總線頻率和其它寄存器的值相關 ),對應的通道就會一直輸出一個固定頻率的 PWM 波 ,直到改變這兩個寄存器的值為止 [5]。 當智能車檢測到前方有彎道時 ,經過運算得出需要的占空比和所對應的寄存器的值 ,將這個值賦給 PWMDTYx寄存器 ,隨后輸出 PWM波的占空比就會發(fā)生相應的改變。但是 ,當在軟件中 改變了 PWMDTYx 寄存器中的值后 ,輸出 PWM 波的占空比并不會立刻改變。 PWMDTYx 寄存器為雙緩沖結構 ,由于 K60 微控制器內部硬件結構的原因 ,當在 PWM 信號輸出過程中進行寫操作時 ,寫入的值將進入緩沖器 ,而不是直接進入該寄存器 ,直到通道被禁止或當前周期結束 ,計數器重新被寫入 (計數器回 0)時才能進入該寄存器。這樣設計的目的 ,雖然是為了避免輸出變化著的不穩(wěn)定的 PWM 波形 ,但是卻產生了延時 ,如圖 所示。 假設我們產生的 PWM 波的頻率是 300Hz,即周期為 。我們在軟件中運算得出需要的占空比對應 的 PWMDTYx 寄存器的值 ,并將其賦值給 PWMDTYx 寄存器 ,如果這一時刻在 A 點 ,即一個周期剛開始的時刻 ,那么我們運算得出的結果將要在緩沖器中保存 ,在下一周期開始時才進入 PWMDTYx寄存器 ,使占空比變成我們計算出的結果 。如果那一時刻剛好在 C 點 ,即一個周期即將結束的時刻 ,那么我們運算的結果能夠立刻進入 PWMDTYx 寄存器 ,使下一周期的占空比發(fā)生變化 。而通常這一時刻則在 B 點 ,即 中的任意一點。因此 ,這就是第一次延時產生的原因所在。根據上面的敘述 ,當 PWM 波周期為 ,產生的延遲時間為0~。我們將這個延時叫做微控制器輸出周期延時。 圖 PWM 波占空比改變示意圖 ② 舵機機械延時 由于舵機內部具有小型直流電機、級聯減速齒輪組、位置反饋電位器等機械裝置 ,因此不可能瞬間達到我們所期望的輸出角度 ,這就是影響舵機控制特性的一個主要參數即響應速度 ,也叫做舵機輸出軸轉動角速度 ,這個參數一般以舵機空載時輸出轉盤旋轉 60176。所需要的時間表示。大賽指定使用的舵機工作電壓范圍為 5V 左右 ,在 時 ,響應速度時 ,在 時 ,響應速度為 。而帶了負載之后 ,響應速度還會略微下降。由此可知 ,舵機轉動一定角度有時間延遲 ,時間延遲正比于旋轉過的角度 ,反比于舵機的響應速度。例如 ,當舵機收到從 0176。轉動到 60176。的信號時 ,要經過 160ms 才會達到我們預期的角度值。我們將這部分延時叫做舵機機械延時。 舵機的安裝與控制延時解決辦法 因此 ,舵機的控制輸出延時由微控制器輸出周期延時和舵機機械延時兩部分組成 ,由上分析可知 ,延時最大時會達到將近 +?？梢哉f ,舵機的響應速度直接影響智能車通過 彎道時的最高速度。因此提高舵機的響應速度是提高智能車平均速度的一個關鍵。根據以上的分析 ,提出以下幾個解決辦法 : 1. 提高 PWM 波頻率。指定舵機可接收的 PWM 信號頻率范圍為 50 ? 300Hz,對應的周期為 20ms ? ,通過上述分析可知 ,頻率越高 ,微控制器輸出周期延時就越短 ,因此我們在設置 K60微控制器 PWM模塊輸出信號時選用 300Hz的頻率 ,可以有效減少延遲時間。 圖 舵機安裝方式 2. 提高舵機工作電壓。在上述分析中可以看出 ,工作電壓越高 ,響應速度則越 快 ,我們使用電池電壓為 ,略高于舵機標定的工作電壓范圍 ,但是可以直接舵機供電。如此一來 ,舵機的響應速度還可以進一步提高 ,大約為 degrees。 3. 安裝更長的舵機輸出臂。采用杠桿原理 ,在舵機的輸出舵盤上安裝一個較長的輸出臂 ,將轉向傳動桿連接在輸出臂末端。這樣就可以在舵機輸出較小的轉角下 ,取得較大的前輪轉角 ,從而提高了整個車模轉向控制的速度。如圖 所示 ,這種方法是通過機械方式 ,利用舵機的輸出轉距余量 ,將角度進行放大 ,加快了舵機響應速度 [4]。 攝像頭支架的設計安裝 賽車 CMOS 圖像傳感器的架設主要考慮以下幾個因素 : 確保 CMOS 圖像傳感器位置的居中且正對前方。因為當 CMOS 圖像傳感器不居中 ,其采集進來的圖像也不是居中的 ,而處理程序對舵機輸出量是居中的 ,這樣就會導致智能車在直道上也偏離賽道中央 ,即使可以通過程序校正 ,也會導致掃描到的圖像面積左右不對稱 ,會浪費一部分圖像信息。 CMOS 圖像傳感器的安裝高度要足夠高。這樣可以使得智能車在 CMOS圖像傳感器的安裝角度不是很大的情況下就能夠前瞻到前方足夠遠處的路況信息。因為當攝像頭的角度過大時候 ,采集進來的圖 像形變過大 ,且圖像中的干擾信息增多 ,對模型車的處理算法十分的不利。而且當攝像頭的安裝位置較高時 ,所能掃描到的圖像靠近智能車的部分范圍較大 ,當智能車偏離賽道一定距離時 ,依然可以掃描到黑線 ,這樣會便于圖像的算法處理。一般要求該范圍為 45cm 寬。 CMOS 圖像傳感器的安裝是可調整的。這樣以便于 CMOS 圖像傳感器居中的校正 ,以及在實際調試中選擇最佳探測角度 ,以及對 CMOS 圖像傳感器視野范圍進行標定。經過多次的實驗和總結 ,我們對 CMOS 圖像傳感器的遠度進行了標定 ,對 CMOS 圖像傳感器的采集的圖像信息進行了中 心位置的校正。將 CMOS 圖像傳感器的視頻信息通過視頻采集卡傳到計算機中 ,通過調節(jié) CMOS 圖像傳感器各個旋轉變量使得攝像頭的圖像位置居中。校正后的攝像頭能夠采集到小車前方上底為60cm,下底為 240cm,高為 220cm 的近似等腰梯形圖像。 經過上述設計 ,前輪的靜態(tài)側翻極限是 55 度 ,后輪的側翻極限是 70度 ,而在賽道上側滑極限一般不會超過 50 度 ,所以賽車在側向加速度很大的極限情況下會先發(fā)生側滑而不會發(fā)生側翻。 電路板安裝 電路板應安裝于智能車的最低的部位 ,并且固定于底盤。由于電池的安裝后移了 6cm,考 慮到賽車的空間 ,PCB 板應設計成長方形以便于安裝。 PCB 設計形狀示意如圖 所示。這個形狀有利于電路板的安裝 ,同時防止了前輪轉角過大時與電池接觸。 圖 電路板的形狀與安裝 硬件設計 總體方案 系統(tǒng)硬件電路主要由一塊 PCB 板構成 ,集成了整個系統(tǒng)的邏輯電路和驅動電路。主控制芯片采用官方推薦的 32 位微控制器 MK60DN512,但速度很高且工作性能較穩(wěn)定。主電機驅動電路采用 BTN7971B 搭建的 H 橋電路 ,該驅動電路導通內阻小 ,能承載的電流大 ,相比之下賽車可獲得更大的加速度和直道上限速度。 電源模塊 由于電源對高頻干擾具有較強的抑制作用。同時由于其低功耗特點 ,在進行電路板設計時 ,可以減少散熱片的體積和 PCB 板的面積 ,有時甚至不需要加裝散熱片 ,方便了電路設計與使用 ,提高了穩(wěn)定性能。 電機供電與單片機供電分離電路 主電機在啟動的瞬間和反轉的瞬間會產生高達 20A 的沖擊電流。由于