【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 “后束”或“負(fù)前束”。在實(shí)際的汽車中，一般前束為012mm 。 前束的調(diào)整總是依據(jù)主銷內(nèi)傾的調(diào)整。只有主銷內(nèi)傾確定后才能確定合適的前輪前束與之配合。前輪前束的調(diào)整是方便的。主銷內(nèi)傾的調(diào)整由于要擰開(kāi)螺絲釘，固定件又為塑料，所以頻繁的調(diào)整容易引發(fā)滑絲現(xiàn)象。而前束不會(huì)，所以調(diào)整前束是最安全、方便的。前束在摩擦大的時(shí)候有明顯的效果。但是一定不要太大，適當(dāng)?shù)姆砰_(kāi)一兩圈就夠了。 在模型車中，前輪前束是通過(guò)調(diào)整伺服電機(jī)帶動(dòng)的左右橫拉桿實(shí)現(xiàn)的。主銷在垂直方向的位置確定后，改變左右橫拉桿的長(zhǎng)度即可以改變前輪前束的大小。在實(shí)際的調(diào)整過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)較小的前束，約束02mm 可以減小轉(zhuǎn)向阻力，使模型車轉(zhuǎn)向更為輕便，但實(shí)際效果不是十分明顯。 調(diào)節(jié)合適的前輪前束在轉(zhuǎn)向時(shí)有利過(guò)彎，還能提高減速性。將前輪前束調(diào)節(jié)成明顯的內(nèi)八字，運(yùn)動(dòng)阻力加大，提高減速性能。由于阻力比不調(diào)節(jié)前束時(shí)增大，所以直線加速會(huì)變慢。智能車采用穩(wěn)定速度策略或者采用在直道高速?gòu)澋缆俚牟呗詴r(shí)，應(yīng)該調(diào)節(jié)不同的前束。后一種策略可以適當(dāng)加大前束 [15]。 雖然模型車的主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角和前束等均可以調(diào)整，但是由于車模加工和制造精度的問(wèn)題，在通用的規(guī)律中還存在著不少的偶然性，一切是實(shí)際調(diào)整的效果為準(zhǔn)。 智能車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)調(diào)整 理想的轉(zhuǎn)向模型，是指在輪胎不打滑時(shí)，忽略左右兩側(cè)輪胎由于受力不均產(chǎn)生的變形，忽略輪胎受重力影響下的變形時(shí)車輛的的轉(zhuǎn)向建模。圖 32 智能車轉(zhuǎn)向示意圖 如圖32，假設(shè)智能車系統(tǒng)為理想的轉(zhuǎn)向模型，且其重心位于其幾何中心。車輪滿足轉(zhuǎn)向原理，左右輪的軸線與后輪軸線這三條直線必然交于一點(diǎn)。 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在車輛運(yùn)行過(guò)程中有著非常重要的作用。合適的前橋和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可以保證在車輛直線行駛過(guò)程中不會(huì)跑偏，能保證車輛行駛的方向穩(wěn)定性；而在車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，合適的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可以使車輛自行回到直線行駛狀態(tài)，具有好的回正性 [16]。正是由于這些原因，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)成為智能車設(shè)計(jì)中機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的重點(diǎn)，直接關(guān)系到賽車能否順利地完成比賽。 在模型車制做過(guò)程中，賽車的轉(zhuǎn)向是通過(guò)舵機(jī)帶動(dòng)左右橫拉桿來(lái)實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)向舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和功率是一定，要想加快轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)響應(yīng)的速度，唯一的辦法就是優(yōu)化舵機(jī)的安裝位置和其力矩延長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度。由于功率是速度與力矩乘積的函數(shù)，過(guò)分追求速度，必然要損失力矩，力矩太小也會(huì)造成轉(zhuǎn)向遲鈍，因此設(shè)計(jì)時(shí)就要綜合考慮轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度與舵機(jī)力矩之間的關(guān)系，通過(guò)優(yōu)化得到一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)向效果。如圖33，我們最終采用的這套舵機(jī)連片（轉(zhuǎn)向拉桿），我們綜合考慮了速度與扭矩間的關(guān)系，并根據(jù)模型車底盤(pán)的具體結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了安裝方式，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。圖33 舵機(jī)連片（轉(zhuǎn)向拉桿）舵機(jī)的安裝方式目前較為主流的是直立式安裝和倒置式安裝。都采用圖33的舵機(jī)連片。然而舵機(jī)與連片的嚙合是類似齒輪的嚙合，由于連片的長(zhǎng)度的以及齒寬的影響，很難調(diào)節(jié)到合適的舵機(jī)機(jī)械中值。為了彌補(bǔ)這種連片的缺陷，我們采用了可調(diào)中值的舵機(jī)連片。圖34 舵機(jī)連片（中值可調(diào)）第 4章 電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本設(shè)計(jì)以MC9S12XS128為核心控制處理器，建立最小系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上集成了外圍接口驅(qū)動(dòng)電路、調(diào)試電路等，形成了功能完備，體積小的控制電路。小車的硬件電路主要包括單片機(jī)模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、車速檢測(cè)模塊、道路檢測(cè)模塊以及其他輔助電路 [17]。 單片機(jī)模塊單片機(jī)模塊是小車的“大腦”，本次設(shè)計(jì)所用到的單片機(jī)芯片為MC9S12XS128，實(shí)物如圖41 所示。圖41 MC9S12XS128開(kāi)發(fā)板以MC9S12XS128為核心的單片機(jī)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)部分：時(shí)鐘電路、電源電路、復(fù)位電路、BDM接口。其中各個(gè)部分的功能如下： (1)、時(shí)鐘電路給單片機(jī)提供一個(gè)外接的16MHz的石英晶振。 (2)、電源電路主要是給單片機(jī)提供5V電源。(3)、復(fù)位電路在電壓達(dá)到正常值時(shí)給單片機(jī)一個(gè)復(fù)位信號(hào)。 (4)、BDM接口讓用戶可以通過(guò)BDM頭向單片機(jī)下載和調(diào)試程序。如下圖，本系統(tǒng)采用的是標(biāo)準(zhǔn)的MC9S12系列單片機(jī)的時(shí)鐘電路，通過(guò)把一個(gè)16MHz的外部晶振接在單片機(jī)的外部晶振輸入接口EXTAL和XTAL上，然后利用MC9S12XS128內(nèi)部的壓控振蕩器和鎖相環(huán)（PLL）把這個(gè)頻率提高到40MHz，作為單片機(jī)工作的內(nèi)部總線時(shí)鐘。圖42 外部振蕩電路 電源模塊電源模塊為系統(tǒng)其它各個(gè)模塊提供所需要的電源。是小車的“心臟” 。電源模塊為系統(tǒng)其他各個(gè)模塊提供所需要的電源，設(shè)計(jì)中除了需要考慮電壓范圍和電流容量等基本參數(shù)之外，還要在電源轉(zhuǎn)換效率、降低噪聲、防止干擾等方面進(jìn)行優(yōu)化。本智能車有+5 V V 兩種電壓, 由7. 2 V/ 2022 mAh 的NiCd 蓄電池組直接給驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向舵機(jī)供電，5 V 給車速傳感器、光電傳感器等供電 [18]。由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電壓和電流容量各不相同，因此需要電源穩(wěn)壓，轉(zhuǎn)換成所需要的5V。電源管理原理圖如下。充電電池 電機(jī) 舵機(jī) 7805 穩(wěn)壓電路（ 5V）光電激光管 單片機(jī) 接受管 轉(zhuǎn)速傳感器圖43 電源系統(tǒng)原理圖圖43中：(1)、5V電壓。主要為單片機(jī)、信號(hào)調(diào)理電路以及部分接口電路提供電源，電壓要求穩(wěn)定、噪聲小，電流容量大于500mA。(2)、7．2V電壓。這部分電壓直接取自電池兩端電壓，主要為后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和舵機(jī)提供工作電壓。通過(guò)各個(gè)部件的正常工作電壓我們可以知道，需要采取降壓穩(wěn)壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。選擇穩(wěn)壓芯片時(shí)除了考慮輸出電壓和電流容量參數(shù)外，還需對(duì)穩(wěn)壓芯片的工作最小壓差留有一定的余量。降壓穩(wěn)壓電路可以采用串聯(lián)穩(wěn)壓和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓兩種芯片。常選擇的穩(wěn)壓芯片有780LM257TPS7350。本次設(shè)計(jì)中我采用的是7805穩(wěn)壓芯片，所采用的應(yīng)用電路如下：圖44 穩(wěn)壓電路其中 c1 為 220uf，c2 為 100uf。Vi 為出入端，Vo 為輸出端。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為小車的“肌肉” 。競(jìng)速比賽比的是速度，需要模型車能夠以盡量快的速度跑完全程，有了好的算法之后，需要有驅(qū)動(dòng)電路對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制 [19]。本系統(tǒng)使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板為BTS7960全橋驅(qū)動(dòng)電路，由此電路，通過(guò)設(shè)置MC9S12輸出的PWM波的占空比可以達(dá)到控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的效果。圖45 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片關(guān)于PWM接口占空比控制電機(jī)的使用說(shuō)明：PWM 1,2 輸入端輸入為5V 時(shí)，該路輸出為最小，隨著占空比的變小，輸出的電壓變大；PWM 1,2 輸入端輸入為0V 時(shí)，該路輸出為最大，隨著占空比的變大，輸出的電壓變小；圖 46 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖控制邏輯為：表41 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片控制邏輯圖 EN PWM1 PWM2 OUT1(電機(jī)) OUT2(電機(jī)+) 正轉(zhuǎn) 1 0100% 5V 0 100%0 反轉(zhuǎn) 1 5V 0100% 100%0 0 停止 0 X X X X 車速檢測(cè)模塊車速檢測(cè)模塊為小車的“神經(jīng)系統(tǒng)”。為了使得模型車能夠平穩(wěn)地沿著賽道運(yùn)行，除了控制前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)以外，還需要控制車速，使模型車在急轉(zhuǎn)彎時(shí)速度不要過(guò)快而沖出跑道。而由于電池電壓、電機(jī)傳動(dòng)摩擦力、道路摩擦力等因素的影響，開(kāi)環(huán)控制中實(shí)際速度不能達(dá)到給定值，因此加入速度測(cè)速裝置，形成速度反饋 [20]。要實(shí)現(xiàn)對(duì)模型車的閉環(huán)控制，需要時(shí)刻檢測(cè)模型車當(dāng)前速度，經(jīng)常使用的測(cè)速傳感器有以下幾種： (1)、測(cè)速電動(dòng)機(jī)：其實(shí)就是普通的一個(gè)電動(dòng)機(jī)，將電動(dòng)機(jī)的軸連接到車子傳動(dòng)軸或者車子的電機(jī)上，測(cè)速電動(dòng)機(jī)隨著電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速的快慢決定測(cè)速電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的電壓，然后通過(guò)AD采樣、量化，根據(jù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果大小來(lái)判斷速度的快慢。(2)、光電編碼盤(pán)：通過(guò)一個(gè)帶有孔的光柵，將光柵放在光電發(fā)射管和接收管之間，配合比較器電路，將光電接收管的電壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦叩碗娖阶兓o單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)高低電平的數(shù)量來(lái)判斷速度的快慢 [21]。 (3)、光電編碼器：光電編碼器是一個(gè)封閉的光電編碼盤(pán)，相比后者優(yōu)點(diǎn)非常多，長(zhǎng)時(shí)間使用穩(wěn)定性高，適應(yīng)能力強(qiáng)。同時(shí)精度也很高，能夠達(dá)到500線、1024線、2048線甚至更高。唯一不足就是價(jià)格是前兩者的好幾倍甚至幾十倍。 綜上對(duì)比，我們考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、PID反饋控制的精度和車子自身體積的限制，最后選用500線AB兩相光電編碼器，可以返回100多個(gè)脈沖，PID控制精度足夠，效果非常好。圖47 光電編碼器 道路檢測(cè)模塊 道路檢測(cè)模塊為小車的“眼睛”。在確定智能車總體方案時(shí)，我們選擇光電傳感器的方案。為了獲得更大前瞻距離，為控制系統(tǒng)后續(xù)處理贏得更多的時(shí)間，在從眾多光電傳感器中選擇了大前瞻的激光傳感器，可以使小車更穩(wěn)定、快速的行駛。 光電傳感器的原理光電傳感器檢測(cè)路面信息的原理是由發(fā)射管發(fā)射一定波長(zhǎng)的紅外線，經(jīng)地面反射到接收管。由于在黑色和白色上反射系數(shù)不同，在黑色上大部分光線被吸收，而白色上可以反射回大部分光線，所以接收到的反射光強(qiáng)是不一樣，進(jìn)而導(dǎo)致接收管的特性曲線發(fā)生變化程度不同，而從外部觀測(cè)可以近似認(rèn)為接收管兩端輸出電阻不同，進(jìn)而經(jīng)分壓后的電壓就不一樣，就可以將黑白路面區(qū)分開(kāi)來(lái) [22]。圖48 光電傳感器原理 激光傳感器的設(shè)計(jì)激光傳感器與普通的光電傳感器原理都是一樣，但是其前瞻能力遠(yuǎn)大于普通的光電傳感器，可以達(dá)到4050 厘米，對(duì)于智能車來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠。我選用了8個(gè)光電傳感器，每4個(gè)光電傳感器對(duì)應(yīng)一個(gè)接收管，所有的傳感器呈“一”字排布。激光傳感器由兩部份構(gòu)成，一部份為發(fā)射部份，一部分為接收部份 [23]。通過(guò)單片機(jī)程序發(fā)出180KHz 頻率的振蕩波后，經(jīng)三極管放大，激光管發(fā)光；接收部份由一個(gè)相匹配180KHz 的接收管接收返回的光強(qiáng)，經(jīng)過(guò)電容濾波后直接接入S12 單片機(jī)的PB1 與PB5口，檢測(cè)返回電壓的高低。由于激光傳感器使用了調(diào)制處理，接收管只能接受相同頻率的反射光，因而可以有效防止可見(jiàn)光對(duì)反射激光的影響。圖49 激光傳感器發(fā)射與接收電路為了簡(jiǎn)化8 路激光傳感器的控制，減少激光傳感器相互之間的干擾，傳感器的控制采用了分時(shí)發(fā)光的策略，由S12的8個(gè)I/O口來(lái)控制8組激光傳感器的開(kāi)斷，這樣接收管就接收不到相鄰傳感器發(fā)射的激光了，因而達(dá)到了防止相互傳感器之間干擾的目的。第 5章 控制算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 軟件流程程序主要用到XS128芯片中的PWM模塊, ECT模塊，I/O模塊等模塊化設(shè)計(jì)。PWM模塊主要是用來(lái)控制前輪舵機(jī)和舵機(jī)的左右轉(zhuǎn)向，以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行；ECT模塊主要是用在速度脈沖采集和傳感器信息采集上，捕捉中斷并計(jì)算處理；I/O模塊主要是用于控制激光的發(fā)射和接收，以及接收和輸出各種控制信號(hào)。開(kāi)機(jī)后，對(duì)所有硬件進(jìn)行初始化，完成之后，PPT定時(shí)中斷，對(duì)激光管掃描發(fā)射，并接收信號(hào)進(jìn)行采樣保存。 在掃描完之后，開(kāi)始處理采樣數(shù)據(jù)，并計(jì)算出當(dāng)前黑線與車身的相對(duì)位置。單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前位置決定隨動(dòng)舵機(jī)擺角的大小以保證緊跟黑線。單片機(jī)再根據(jù)上舵機(jī)PWM值與光點(diǎn)所得到的位置綜合給出下舵機(jī)的PWM值。 單片機(jī)根據(jù)舵機(jī)的打角，經(jīng)過(guò)復(fù)雜運(yùn)算與處理得到速度期望值，并結(jié)合當(dāng)前速度值對(duì)電機(jī)控制如加速、減速、電機(jī)反轉(zhuǎn)和反向剎車制動(dòng)等。速度控制采用PID控制算法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制?？傮w流程圖如下：定時(shí)中斷提取黑線判斷賽道信息程序初始化開(kāi)始循環(huán)獲取當(dāng)前車速設(shè)定速度與舵機(jī)PWM給出操作指令圖51 軟件程序流程圖 速度控制算法所謂速度控制，就是智能車可以根據(jù)路況信息調(diào)整速度，判斷是該加速、減速，還是該剎車。我采用的是增量式 PID 控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)速度控制。PID 控制理論： 在模型車控制器中，比較常用的一種控制器為PID 調(diào)節(jié)器。PID 調(diào)節(jié)在連續(xù)系統(tǒng)中應(yīng)用比較成熟。它具有許多特點(diǎn)，如不需要求出數(shù)學(xué)模型、控制效果好等， 特別是在微機(jī)控制系統(tǒng)中，對(duì)于時(shí)間常數(shù)比較大的被控對(duì)象來(lái)說(shuō)，數(shù)字PID 完全可以代替模擬PID 調(diào)節(jié)器，應(yīng)用更加靈活，實(shí)用性更強(qiáng) [24]。PID 調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，其框圖如下所示：KpKiKd對(duì)象r e u yD(S)_圖 52 PID 控制器原理圖比例調(diào)節(jié)器（P）是一種簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)器，式中Kp 為比例系數(shù)，e 為偏差。比例調(diào)節(jié)器與偏差成比例調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)及時(shí)，誤差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用，使被控量y 向減小偏差的方向變化，但這種調(diào)節(jié)使得被調(diào)量存在靜態(tài)誤差，因?yàn)檎{(diào)節(jié)作用是以偏差的存在為前提條件的。增大可以減小靜態(tài)誤差，但不能完全消除，而且過(guò)大會(huì)產(chǎn)生振蕩。積分環(huán)節(jié)為對(duì)誤差的積分作用，積分調(diào)節(jié)器的突出優(yōu)點(diǎn)為，只要被調(diào)量存在偏差，其輸出的調(diào)節(jié)作用便隨時(shí)間不斷加強(qiáng)，直到偏差為零，減小靜態(tài)誤差 [25]。但積分調(diào)節(jié)器動(dòng)作過(guò)于遲緩，因而在改善靜態(tài)品質(zhì)的同時(shí)，往往使調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)變壞，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間加長(zhǎng)。積分調(diào)節(jié)器可以通過(guò)檢測(cè)誤差的變化率來(lái)預(yù)報(bào)誤差，根據(jù)誤差變化趨勢(shì)， 產(chǎn)生強(qiáng)烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡快消除在萌芽狀態(tài)。微分作用主要用來(lái)加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小超調(diào)，克服振蕩。將P、I、D 三種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合在一起，既快速敏捷，又平穩(wěn)準(zhǔn)確，只要三者強(qiáng)度配合適當(dāng)，便可獲得滿意的調(diào)節(jié)效果。 經(jīng)過(guò)一定的采樣周期離散化后，數(shù)字PID 公式為: