【文章內(nèi)容簡介】 賽規(guī)則透明，評價標準客觀，堅持公開、公平、公正的原則，保證競賽向健康、普及，持續(xù)的方向發(fā)展。 本文以第六屆全國大學生智能汽車競賽為背景，為了保證智能汽車能夠具有迅捷的速度、遠而清晰的前瞻以及較高的靈敏度與穩(wěn)定性，從軟硬件方面對系統(tǒng)進行了優(yōu)化。2 智能汽車控制系統(tǒng)總體設計 總體設計思路全國智能車比賽過程核心是速度與穩(wěn)定性權衡的過程，在保證賽車沖不出跑道的情況下追求速度最快，用時最短。因此，獲取有效、可靠的賽道信息以及實施合理的控制策略是保證比賽取得好成績的先決條件。該電磁智能車，是以黑線通有 100mA 左右、20K 的交流信號線為引導線，依據(jù)電磁感應的原理我們用 LC 諧振回路為傳感器來采集信號，這樣采集到的信號是 20K 的交流信號，但是信號強度很小，最后用三極管對采集到的信號進行放大，最終將此信號送給單片機進行處理。電磁感應傳感基于電磁傳感器的智能車控制2器與以往的光電和攝像頭組的傳感器相比較，消耗的功率小了，但是其前瞻受到了明顯的限制。在控制策略方面，主要包括轉向控制和速度控制。對于舵機的轉向控制，我們采取經(jīng)典的位置式 PD 算法，通過判斷傳感器檢測到的直道或彎道信號給不同的 PD 參數(shù)，以達到不同的效果。對于電機的速度控制策略，采用 PID 調(diào)節(jié)的同時引入反轉制動剎車電路，使得小車在直道可以盡快加速并能保證在過彎時迅速減到過彎的速度，使得小車可以快速行駛。對于機械結構方面，根據(jù)比賽情況的需要，對小車的機械結構進行合理安裝和調(diào)整，比如說重心的前后高低、兩只前輪的傾角、編碼盤的安裝、舵機的安裝、懸掛的松緊，主板的放置等，以保證小車穩(wěn)定、快速的行駛。各個方面的之間的聯(lián)系如下圖所示：圖 智能車總體結構圖 系統(tǒng)硬件結構1) MC9S12XS128處理器：該模塊是整個系統(tǒng)的核心和大腦部件，所有的信息都要由它處理，結合該處理器，我們使用了最小系統(tǒng)。2) 采集模塊：采集模塊主要有賽道信息采集和速度采集。我們經(jīng)過比較在基于電磁傳感器的智能車控制3賽道信息采集方面，我們用了電感；而在速度采集方面， 我們選用了編碼器。3) 驅動模塊：主要有電機驅動和舵機驅動。該系統(tǒng)采用的是自行搭建的由場效應管組成的H橋，效果很好。我們使用單獨一個穩(wěn)壓芯片給舵機供電。 4) 電源模塊：主要用到的5V LM294。5) 調(diào)試模塊：調(diào)試模塊主要用到 BDM。 系統(tǒng)軟件結構系統(tǒng)硬件是整個系統(tǒng)的基礎，系統(tǒng)軟件結構則根據(jù)硬件和控制需求來制定。系統(tǒng)的基本軟件流程為：首先，對各功能模塊和控制參數(shù)進行初始化。然后，通過電磁傳感器采集到的數(shù)據(jù)獲取前方賽道的情況，同時通過速度傳感器模塊獲取賽車的速度。采用 PD 對舵機進行反饋控制。另外根據(jù)檢測到的速度，結合速度控制策略，對賽車速度不斷進行適當調(diào)整，使賽車在符合比賽規(guī)則的前提下，沿賽道快速行駛。圖 軟件系統(tǒng)框圖基于電磁傳感器的智能車控制43 智能汽車機械系統(tǒng)調(diào)整與安裝車模的機械部分是影響其行駛性能最直接的部分，其重要性不言而喻。一個不良的機械系統(tǒng)會增加控制的難度，會為車模的速度提升帶來障礙。因此，車模的機械性能應該是優(yōu)先考慮的問題。 前輪參數(shù)調(diào)整 調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，在賽車過彎時，轉向舵機的負載會因為車輪轉向角度增大而增大。為了盡可能降低轉向舵機負載，對前輪的安裝角度，即前輪定位進行了調(diào)整。 前輪定位包括主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角和前輪前束四個內(nèi)容。車輪定位的作用是使汽車保持穩(wěn)定的直線行駛和轉向輕便，并減少汽車在行駛中輪胎和轉向機件的磨損。 主銷內(nèi)傾角 從車前后方向看輪胎時，主銷軸向車身內(nèi)側傾斜，該角度稱為主銷內(nèi)傾角。當車輪以主銷為中心回轉時，車輪的最低點將陷入路面以下，但實際上車輪下邊緣不可能陷入路面以下，而是將轉向車輪連同整個汽車前部向上抬起一個相應的高度，這樣汽車本身的重力有使轉向車輪回復到原來中間位置的效應，因而舵機復位容易。 此外，主銷內(nèi)傾角還使得主銷軸線與路面交點到車輪中心平面與地面交線的距離減小，從而減小轉向時舵機的拉力，使轉向操縱輕便，同時也可減少從轉向輪傳到舵機上的沖擊力。但主銷內(nèi)傾角也不宜過大，否則加速了輪胎的磨損，在調(diào)整時可以近似調(diào)整為0176。~3176。左右，不宜太大。 主銷后傾角 從側面看車輪，轉向主銷(車輪轉向時的旋轉中心)向后傾倒，稱為主銷后傾角。設置主銷后傾角后，主銷中心線的接地點與車輪中心的地面投影點之間產(chǎn)生距離(稱作主銷縱傾移距，與自行車的前輪叉梁向后傾斜的原理相同)，使車輪的接地點位于轉向主銷延長線的后端，車輪就靠行駛中的滾動阻力被向后拉，使車輪的方向自然朝向行駛方向。設定很大的主銷后傾角可提高直線行駛性能，同時主銷縱傾移距也增大。主銷縱傾移距過大，會使舵機沉重，而且由于路面干擾而加劇車輪的前后顛簸，通常主銷后傾角值設定在1176。到3176。 模型車通過增減黃色墊片的數(shù)量來改變主銷后傾角的，由于競賽所用的轉基于電磁傳感器的智能車控制5向舵機力矩不大，過大的主銷后傾角會使轉向變得沉重，轉彎反應遲滯，所以設置為0176。，以便增加其轉向的靈活性。 主銷內(nèi)傾和主銷后傾都有使汽車轉向自動回正，保持直線行駛的功能。不同之處是主銷內(nèi)傾的回正與車速無關，主銷后傾的回正與車速有關，因此高速時主銷后傾的回正作用大，低速時主銷內(nèi)傾的回正作用大。 前輪外傾角 從前后方向看車輪時，輪胎并非垂直安裝，而是稍微傾倒呈現(xiàn)“八”字形張開，稱為負外傾，而朝反方向張開時稱正外傾。前輪外傾角對汽車的轉彎性能有直接影響，它的作用是提高前輪的轉向安全性和轉向操縱的輕便性。前輪外傾角俗稱“外八字”，如果車輪垂直地面一旦滿載就易產(chǎn)生變形，可能引起車輪上部向內(nèi)傾側，導致車輪聯(lián)接件損壞。所以事先將車輪校偏一個外八字角度，這個角度約在1176。左右。 模型車提供了專門的外傾角調(diào)整配件，近似調(diào)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(diào)整為0176。即可，并且要與前輪前束匹配。 前輪前束 腳尖向內(nèi)，所謂“內(nèi)八字腳”的意思，指的是左右前輪分別向內(nèi)。采用這種結構目的是修正上述前輪外傾角引起的車輪向外側轉動。如前所述，由于有外傾，舵機轉向變得容易。另一方面，由于車輪傾斜，左右前輪分別向外側轉動，為了修正這個問題，如果左右兩輪帶有向內(nèi)的角度，則正負為零，左右兩輪可保持直線行進，減少輪胎磨損。如圖下圖所示。圖 輪前束示意圖基于電磁傳感器的智能車控制6 后輪差速機構調(diào)整 差速機構的作用是在車模轉彎的時候，降低后輪與地面之間的滑動；并且還可以保證在輪胎抱死的情況下不會損害到電機。 當車輛在正常的過彎行進中 (假設：無轉向不足亦無轉向過度)，此時4 個輪子的轉速(輪速)皆不相同，依序為：外側前輪＞外側后輪＞內(nèi)側前輪＞內(nèi)側后輪。此次所使用車模配備的是后輪差速機構。差速器的特性是：阻力越大的一側，驅動齒輪的轉速越低；而阻力越小的一側，驅動齒輪的轉速越高?以此次使用的后輪差速器為例，在過彎時，因外側前輪輪胎所遇的阻力較小，輪速便較高；而內(nèi)側前輪輪胎所遇的阻力較大，輪速便較低。 差速器的調(diào)整中要注意滾珠輪盤間的間隙，過松過緊都會使差速器性能降低，轉彎時阻力小的車輪會打滑，從而影響車模的過彎性能。好的差速機構，在電機不轉的情況下，右輪向前轉過的角度與左輪向后轉過的角度之間誤差很小，不會有遲滯或者過轉動情況發(fā)生。 齒輪傳動機構調(diào)整 車模后輪采用BTS7970電機驅動。電機軸與后輪軸之間的傳動比為 18：76（電機軸齒輪齒數(shù)為18，后輪軸傳動輪齒數(shù)為76）。齒輪傳動機構對車模的驅動能力有很大的影響。齒輪傳動部分安裝位置的不恰當，會大大增加電機 驅動后輪的負載，從而影響到最終成績。調(diào)整的原則是：兩傳動齒輪軸保持平行, 齒輪間的配合間隙要合適，過松容易打壞齒輪，過緊又會增加傳動阻力，浪費動力；傳動部分要輕松、順暢，不能有遲滯或周期性振動的現(xiàn)象。判斷齒輪傳動是否良好的依據(jù)是，聽一下電機帶動后輪空轉時的聲音。聲音刺耳響亮，說明齒輪間的配合間隙過大，傳動中有撞齒現(xiàn)象；聲音悶而且有遲滯，則說明齒輪間的配合間隙過小，或者兩齒輪軸不平行，電機負載變大。調(diào)整好的齒輪傳動噪音很小，并且不會有碰撞類的雜音，后輪減速齒輪機構就基本上調(diào)整好了，動力傳遞十分流暢。 舵機安裝調(diào)整 舵機是賽車轉向的驅動裝置，其性能的好壞直接關系到賽車的轉向性能和彎道的極限速度。而舵機的固定方式也在一定程度上決定了比賽的成敗。舵機轉向是整個控制系統(tǒng)中延遲較大的一個環(huán)節(jié)，為了減小此時間常數(shù)，通過改變舵機的安裝位置，而并非改變舵機本身結構的方法可以提高舵機的響應速度。基于電磁傳感器的智能車控制7下面介紹兩種方案，分別分析其性能。 平躺式固定 這種固定方式是車模上舵機的原安裝方式. 優(yōu)點： 1）重心底，接近地盤，有利于車模的穩(wěn)定。 2） 兩臂前輪不等長，有利于車模的轉彎。（這里糾正一點誤區(qū)，很多人認為前輪的兩臂等長最好，其實不然。如果你是汽車專業(yè)的話 你就會明白他的原理，汽車上的轉向都是一邊長一邊短的，轉向時內(nèi)側是要比外側的轉角要大，才有助于轉向的。） 缺點： 1）在舵機和角度調(diào)節(jié)頭之間有介子作為受力緩沖作用的。但這在比賽中會延緩前輪的反應時間。最好用AB膠將其固定死。 2）舵機的力臂太短。相比后兩種固定方式，舵機在相同的轉角下，前輪轉角會小得多，這在比賽中是很不利的。因為舵機轉角是需要時間的，這樣就延緩了前輪的轉動效率。 站立式固定 這種固定方式是舵機豎立在車身中間位置。用兩等長的前輪拉桿住鏈接前輪。 優(yōu)點： 1）力臂長，前輪的反應速度是平躺式的三倍左右（由于力臂的長度會有所不同，力臂越長，反應越快）。這里請注意一點，力臂過長可能導致力矩不足，反而導致前輪轉不到位。因此設計時就要綜合考慮轉向機構響應速度與舵機力矩之間的關系，通過優(yōu)化得到一個最佳的轉向效果。 2）兩拉桿軸是等長的，所以車的左右轉是相同的。這里說明一點，兩拉桿軸是等長并不和上述“轉向都是一邊長一邊短”相矛盾。因為我們的最終目地是使車模在轉向時，內(nèi)側前輪要比外側的轉角要大。當舵機轉動力臂時，由于力臂的尾端是按曲線運動的，導致兩前輪的轉角不同，內(nèi)側前輪要比外側的轉角要大。 缺點： 1）使車模車頭整體重心過高，影響車模的穩(wěn)定性！經(jīng)測試，由于舵機固定的比較穩(wěn)定，此方案對小車的穩(wěn)定性影響幾乎為零。 基于電磁傳感器的智能車控制8分析舵機控制轉向輪轉向的原理可以發(fā)現(xiàn)，在相同的舵機轉向條件下，轉向連桿在舵機一端的連接點離舵機軸心距離越遠，轉向輪轉向變化越快。這相當于增大力臂長度，提高線速度。針對上述特性，我們改變了舵機的安裝方式，選擇了站立式安裝，將舵機立起來安裝在車的中軸線上，使得左右兩輪的力臂一樣大，有利于轉向。 電路板的安裝電路板是模型車上的核心部分，在安裝時，考慮到電路板的穩(wěn)定性和模型車的重心等問題，我們把電路板做的比較小。圖 智能車整體 速度傳感器的安裝為了不影響加速性能，編碼器的傳動齒輪選擇相對較小，齒輪之間呈水平狀態(tài)。這樣安裝齒輪咬合很好，即避免由于齒輪咬合太緊以致加重負載，同時也避免了因過松而出現(xiàn)的在轉動中齒輪撞擊的現(xiàn)象，