【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 日光等 ,因此 ,為了提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性 ,通常是將發(fā)射信號(hào)經(jīng)調(diào)制后送紅外管發(fā)射 ,再由光敏管接收調(diào)制的紅外信號(hào) [3]。 同時(shí)，要保證發(fā)射管和接收管的波長(zhǎng)匹配。 接收的反射光強(qiáng)度經(jīng)檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換得到的輸出信號(hào)電壓 Vout 是反射面與傳感器之間距離 x 的函數(shù) ,當(dāng)反射面物質(zhì)為同種物質(zhì)時(shí) , x 與 Vout 的響應(yīng)曲線是非線性的 ,如圖 1 所示。設(shè)定輸出電壓達(dá)到某一閾值時(shí)作為目標(biāo) ,不同的目標(biāo)距離閾值電壓是 不同的。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁(yè) 圖 輸出信號(hào)與距離的關(guān)系曲線 當(dāng) x 一定時(shí) ， 接收的反射光強(qiáng)度還與反射面的特性有關(guān)。在智能車系統(tǒng)中 ， 紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線具有一定的方向性 , 當(dāng)紅外線照射到白色地面時(shí)會(huì)有較大的反射 ， 如果距離 x 取值合適 ,紅外接收管接收到反射回的紅外線強(qiáng)度就較大 。如果紅外線照射 黑色標(biāo)志線 ,黑色標(biāo)志線會(huì)吸收大部分紅外光 ,紅外接收管接收到紅外線強(qiáng)度就很弱。這樣 ,利用紅外光電傳感器檢測(cè)智能車行駛道路上的黑色標(biāo)志線 ,就可以實(shí)現(xiàn)智能車的自動(dòng)尋跡。 紅外光電傳感器的輸出可分為數(shù)字式與模擬式兩種。數(shù)字式紅外傳感器具有 與微處理器相對(duì)應(yīng)的接口 ,硬件電路簡(jiǎn)單 ,但存在采集路徑信息粗糙、丟失路徑信息的缺點(diǎn)。模擬式紅外傳感器輸出的模擬信號(hào) ,通過(guò)將多個(gè)模擬式紅外傳感器進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合形成光電傳感器陣列 ,可以再現(xiàn)道路的準(zhǔn)確信息 ,具有較高的可靠性與穩(wěn)定性。圖 2 為沿車道黑色標(biāo)志線分布的陣列光電傳感器的輸出。實(shí)際工作時(shí)利用傳感器對(duì)白色和黑色的反射率大小 ,把最大、最小值之間分為 n 個(gè) index 區(qū)間 , 通過(guò)對(duì)各個(gè)傳感器 index 值的組合來(lái)獲得車身相對(duì)路徑標(biāo)志線的位置 ,從而對(duì)位置和行駛方向都能做較精確的控制。 圖 沿黑色標(biāo)志線分布 的陣列光電傳感器輸出 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè) 傳感器布局對(duì)路徑識(shí)別的影響 使用光電傳感器實(shí)現(xiàn)智能車的路徑識(shí)別 ,除了要求使用的發(fā)射 / 接收器件的波長(zhǎng)特性一致 ,發(fā)射 /接收傳感器組對(duì)時(shí) ,各方面性能盡量接近外 ,傳感器的安裝布局對(duì)尋跡效果也有非常大的影響 [4]。 布局相關(guān)參數(shù) （ 1）傳感器間隔 各個(gè)傳感器的布局間隔對(duì)智能車行車是有一定的影響的。道路中間黑色導(dǎo)引線的寬度為 25mm，因此如果要求傳感器間不出現(xiàn)同時(shí)感應(yīng)現(xiàn)象（即每次采集只出現(xiàn)一個(gè)傳感器值為 1），那么傳感器間隔就必須大于 25mm。如果將間隔設(shè)計(jì)成 小于 25mm，從而產(chǎn)生更多的情況，有利于模型車與道路偏移距離的判斷。此外，如果間隔過(guò)大，還會(huì)出現(xiàn)另一種情況，即在間隔之間出現(xiàn)空白對(duì)于防飛車能力，可以用最大限制速度來(lái)衡量。20mm 間隔的最大限制速度在 3m/s， 40mm 間隔的最大限制速度則為 。經(jīng)過(guò)分析后可知，這是由于傳感器間隔大造成車的橫向控制范圍較大（ 40mm 的車控制在 177。 13mm內(nèi)，而 20mm 的則在177。 7mm 內(nèi)），因此它不易造成迷失。 （ 2）徑向探出距離 徑向探出距離是指光電傳感器離車頭的徑向距離。它主要影響智能車的預(yù)測(cè)性能。對(duì)于未知的路徑，如果能 早一步了解到前方道路的情況，那么就可以早些做出調(diào)整，從而使車以相應(yīng)最優(yōu)策略通過(guò)道路。所以，理論上探出距離是越大越好，但是如果距離過(guò)大，智能車可能會(huì)發(fā)生重心偏移，造成行駛不穩(wěn)、振動(dòng)等一系列問(wèn)題。因此，為了既能增加徑向距離，又不引起重心偏移，本文可以采用帶傾角的傳感器安裝方式。 一字型與八字型布局研究 （ 1）一字型布局 一字型布局是傳感器最常用的布局形式，即各個(gè)傳感器都在一條直線上，從而保證縱向的一致性，使其控制策略主要集中在橫向上。對(duì)于不同的間隔選 擇， 其出現(xiàn)情況數(shù)也相對(duì)不同。本文仿真試驗(yàn)采用的是間 隔大于 25mm 且兩兩并列的布局方式，這樣在跑車時(shí)可以產(chǎn)生 13 種不同的情況。首先，對(duì)于傳感器有輸出值的 (即其中有一傳感器照到黑道 )情況，則根據(jù)其所在的位置進(jìn)行相應(yīng)控制；其次，對(duì)于迷失情況，可利用之前哪 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè) 個(gè)傳感器輸出情況來(lái)推斷模型車時(shí)進(jìn)入了哪一段區(qū)域。本文選用兩兩并列就是為了能明確區(qū)分出具體區(qū)域，如果不這樣排列，則當(dāng)出現(xiàn)迷失時(shí)，將無(wú)法判斷黑道在左邊還是右邊。 （ 2）八字型布局 八字型布局從橫向來(lái)看與一字型類似，但它增加了縱向的特性，從而具有了一定的前瞻性。將中間兩傳感器進(jìn)行前置的主要目的在于能夠早一步了解到車前方 是否為直道，從而可以進(jìn)行加速。 值得一提的是，由于縱向的排列不一致，就比一字型更增加了多傳感器同時(shí)感應(yīng)的可能性 (一字型只可能是所有傳感器同時(shí)感應(yīng)，而八字型則可能出現(xiàn)幾個(gè)傳感器同時(shí)感應(yīng)的現(xiàn)象 )。 因此，在決定控制策略時(shí)，必須要考慮這種情況，但反過(guò)來(lái)說(shuō)，我們也可以利用這種情況的發(fā)生來(lái)完成一些特定的判斷 (比如某彎道角度的確定等 )。 最終選定一字型排布方式。發(fā)射管選擇臺(tái)灣億光生產(chǎn)的大功率紅外管 HIR383（如圖 ） , 在應(yīng)用時(shí)串聯(lián)一個(gè) 50Ω 的限流電阻，發(fā)射電流增大到 100mA。 對(duì)應(yīng)選取波長(zhǎng)與 HIR383 相近的 pt334 作為接收管。 并且把接收電阻增大到 50KΩ，放大接收到的光電信號(hào)。此外，由于采用分離式紅外接收管，增大了發(fā)射功率和發(fā)射半徑，相鄰的紅外發(fā)射管會(huì)對(duì)同一個(gè)接收管產(chǎn)生干擾，因此，給每個(gè)接收管套上熱縮管，使得每個(gè)接收管只在相對(duì)應(yīng)的一小塊區(qū)域內(nèi)接受紅外信號(hào)。 圖 HIR383C 發(fā)射管 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè) 圖 單排 HIR333C 紅外光電管實(shí)物圖 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè) 第 3 章 智能車機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整 車體結(jié)構(gòu)是硬件中一個(gè)很重要的方面，從控制的角度來(lái)說(shuō)，這部分既是系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)又是被控對(duì)象。車模底盤(pán)參數(shù)優(yōu)化 和前輪參數(shù)優(yōu)化等調(diào)整可以保證車體在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面具有良好的性能，使其擁有較強(qiáng)的執(zhí)行能力，其重要性絲毫不亞于良好的控制決策 ；而保證被控對(duì)象的輕便與靈活同樣有利于提高控制效果 。 所以，在整車的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面 ，我們對(duì) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 、前輪 定位 、 重心位置、 車模 底盤(pán) 、后輪差速及齒輪傳動(dòng)進(jìn)行了改進(jìn)。 賽車參數(shù) 我們選用 1/10 Matiz 仿真車模。車?；境叽鐓?shù)如表 。 表 車?；境叽? 基本參數(shù) 尺寸 軸距 197mm 前輪距 124mm 后輪距 136mm 車輪直徑 5cm 車長(zhǎng) 316mm 車寬 172mm 傳動(dòng)比 18/76 智能車參數(shù)（如表 ）： 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁(yè) 表 模型車主要技術(shù)參數(shù)說(shuō)明 車模長(zhǎng)（ cm） 車模寬（ cm） 車模高（ cm） 13 電路功耗 2A 探測(cè)距離（ cm） 32 傳感器個(gè)數(shù) 13 車模重量（ kg） 增加電機(jī)個(gè)數(shù) 0 賽道檢測(cè)精度 5ms 賽道檢測(cè)頻率（次 /S） 20 舵機(jī)安裝方式調(diào)整 舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度有時(shí)間延時(shí)，時(shí)間延時(shí)正比于旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度，反比于舵機(jī)的響應(yīng)速度。通過(guò)控制策略分析可知，舵機(jī)的響應(yīng)速度直接影 響模型車通過(guò)轉(zhuǎn)彎通道時(shí)的最高速度，提高舵機(jī)的響應(yīng)速度是提高模型車平均速度的一個(gè)關(guān)鍵。提高舵機(jī)響應(yīng)速度有二個(gè)方法，一是提高舵機(jī)的工作電壓；二是在機(jī)械上進(jìn)行調(diào)整，根 據(jù)杠桿原理， 將舵機(jī)的輸出舵盤(pán)適當(dāng)加長(zhǎng)，將轉(zhuǎn)向傳動(dòng)桿連接在加長(zhǎng)的輸出盤(pán)的末端。這樣就可以在舵機(jī)輸出較小的 轉(zhuǎn)角下，取得最大的前輪轉(zhuǎn)角，提高了舵機(jī)的響應(yīng)的靈敏度 。 前輪定位 現(xiàn)代汽車在正常行駛過(guò)程中，為了使汽車直線行駛穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向輕便，轉(zhuǎn)向后能自動(dòng)回正，并減少輪胎和轉(zhuǎn)向零件的磨損等，在轉(zhuǎn)向輪、轉(zhuǎn)向節(jié)和前軸之間須形成一定的相對(duì)安裝位置，稱作車輪定位，其 主要定位參數(shù)包括 :主銷后傾、主銷內(nèi)傾、車輪外傾和前束。 Matiz 車模前輪的四項(xiàng)定位參數(shù)均可調(diào) [5]。 主銷后傾角 主銷指轉(zhuǎn)向輪在轉(zhuǎn)向是圍繞其轉(zhuǎn)動(dòng)的軸。主銷在汽車的縱向平面內(nèi)由一個(gè)向后的傾角 γ，即主銷軸線與地面垂直線在汽車縱向平面內(nèi)的夾角，成為“主銷后傾角”，如圖 所示。采用主銷后請(qǐng)的原因是由于汽車在車輪偏轉(zhuǎn)后會(huì)產(chǎn)生一回正力矩，糾正車輪 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè) 的偏轉(zhuǎn)。后傾 角 γ 越大，車速越高，車輪偏轉(zhuǎn)后自動(dòng)恢復(fù)能力越強(qiáng)。而回正力矩過(guò)大，會(huì)引起前輪回正過(guò)猛，加速前輪擺震，并導(dǎo)致轉(zhuǎn)向沉重 。 圖 主銷后傾角 實(shí)驗(yàn) 中發(fā)現(xiàn)，在其他情況相同的條件下，主銷后傾角對(duì)車體的影響主要有以下三個(gè)方面 : (l)主銷后傾角太小造成不穩(wěn)定 :主銷后傾角 γ 接近 0176。 甚至小于 0176。 的情況下，當(dāng)車模在較高速度行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向后車模缺乏自動(dòng)回正能力，舵機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)向控制過(guò)于靈活。車速高時(shí)發(fā)飄，更容易在直道行駛時(shí)產(chǎn)生震蕩。 (2)主銷后傾角太大造成轉(zhuǎn)向不靈活 :主銷后傾角 γ 大于 6176。 的情況下，前輪的轉(zhuǎn)向能力明顯受到限制，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)向沉重，控制滯后嚴(yán)重。 (3)主銷后傾角不對(duì)稱造成跑偏 :左、右兩輪之主銷后傾角不相等時(shí)，車模出現(xiàn)跑偏，跑偏方向朝向主銷后傾角較小的一側(cè) 。 基于以上分析，結(jié)合試驗(yàn)，將主銷后傾角 γ 調(diào)整為 2176。 左右。這種情況下，汽車轉(zhuǎn)向較靈活，而且在高速行駛的時(shí)候，轉(zhuǎn)向后車體有一定的自動(dòng)回正能力，可以使車體運(yùn)動(dòng)軌跡更加平穩(wěn)，行駛路線平滑。 主銷內(nèi)傾角 主銷在汽車的橫向平面內(nèi)向內(nèi)側(cè)傾斜一個(gè) β角，即主銷軸線與地面垂直線在汽車橫向斷面內(nèi)的夾角，成為“主銷內(nèi)傾角”，如圖 所示。主銷內(nèi)傾角 β也有利于車輪自動(dòng)回正作用。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪在外力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，由于主銷內(nèi)傾的原因，車輪連同整個(gè)汽車的前部將被抬起一定高度，當(dāng)外力消失后，車輪就會(huì)在重力作用下恢復(fù)到原來(lái)的正 中 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè) 位置。另外，主銷內(nèi)傾還會(huì)使主銷軸線延長(zhǎng)線與路面的交點(diǎn)到車輪中心平面的距離減小，同時(shí)轉(zhuǎn)向時(shí)路面作用在轉(zhuǎn)向輪上的阻力矩也會(huì)減小，從而可減小轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員 (舵機(jī) )施加在方向盤(pán)上的力，使轉(zhuǎn)向操縱輕便，同時(shí)也減小了由于路面不平而從轉(zhuǎn)向輪輸 出到轉(zhuǎn)向盤(pán)上的力反饋。但是主銷內(nèi)傾角不宜過(guò)大，否則在轉(zhuǎn)向時(shí)車輪繞主銷偏轉(zhuǎn)的過(guò)程中，輪胎與路面間將產(chǎn)生較大的滑動(dòng)，從而增加輪胎與路面之間的摩擦阻力。這不僅會(huì)使轉(zhuǎn)向變的沉重，還將加速輪胎的磨損，也容易在轉(zhuǎn)向是造成前輪的滑移。 圖 主銷內(nèi)傾角與前輪外傾角 模型車通過(guò)調(diào)整前輪定 位螺桿長(zhǎng)度來(lái)改變主銷內(nèi)傾角，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí) 6176。 ～ 8176。 的主銷內(nèi)傾角對(duì)于智能車對(duì)期望軌跡跟蹤的穩(wěn)定性、行駛路線的平滑性以及汽車的控制能力都比較有利，在實(shí)際調(diào)試的過(guò)程中也選擇了這樣的主銷內(nèi)傾角 。 前輪外傾角 通過(guò)車輪中心的汽車橫向平面與車輪平面的交線與地面垂線之間的夾角 α，稱為 “前輪外傾 角”，如圖 所示。前輪外傾角一方面可以在汽車重載時(shí)減小或者消除主 銷與襯套、輪與軸承等處的裝配間隙，使車輪接近垂直路面滾動(dòng)而滑動(dòng)，同時(shí)減小轉(zhuǎn)向阻力，使汽車轉(zhuǎn)向輕便 。另一方面還可以防止由于路面對(duì)車輪垂直反作用力的軸 向分力對(duì)外端軸承的壓迫，減少軸承及其鎖緊螺母的載荷，從而增加這部分零件的使用壽命，提高汽車的安全性。一般前輪外傾角為 1176。 左右。而現(xiàn)代汽車高速化、急轉(zhuǎn)向等工況要求前輪外傾角減小甚至為負(fù)值。 模型車前輪某配件用來(lái)調(diào)整前輪外傾角。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn) :由于智能車主要用于競(jìng)速，在設(shè)計(jì)中必然要求盡可能減輕重量，所以底盤(pán)承重不大，而且前輪外傾角只有兩檔可調(diào)， 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁(yè) 故設(shè)定為 0176。 即可，關(guān)鍵是前輪前束要與之匹配。 前輪前束 當(dāng)車輪有了外傾角后，在滾動(dòng)是就類似于圓錐滾動(dòng)，從而導(dǎo)致兩側(cè)車輪向外滾開(kāi)。由于轉(zhuǎn)向橫拉桿和車橋的約束使車 輪不可能向外滾開(kāi)，車輪將在地面上出現(xiàn)邊滾動(dòng)邊滑移的現(xiàn)象，從而增加輪胎的磨損。在安裝車輪是，為消除車輪外傾帶來(lái)的這種不良后果，可以使汽車兩前輪的中心面不平行，并使兩輪前邊緣距離小于后邊緣距離，距離之差稱為“車輪前束”。內(nèi)八字樣的前端小后端大的稱為“前束”，而外八字樣后端小前端大的稱為“后束”或者“負(fù)前束”。 圖 前輪前束 重心位置 汽車重心的位置通常用重心距前軸中心線的水平距離和重心距水平路面的高度來(lái)表示。可通過(guò)實(shí)驗(yàn)法、估算法測(cè)出重心位置。 模型車的控制方面，如果重心靠近后軸，對(duì)模型車的動(dòng) 力性能有益，后輪抓地力增加，增大轉(zhuǎn)向靈敏度，但會(huì)減少轉(zhuǎn)向；如果重心靠近前軸，則對(duì)模型車的制動(dòng)性和操縱穩(wěn)定性有益，會(huì)增加轉(zhuǎn)向，但會(huì)降低轉(zhuǎn)向靈敏度，并且降低了后輪的抓地力。考慮到模型車頻繁轉(zhuǎn)向， 對(duì)于智能車的動(dòng)力性 要求沒(méi)有操縱穩(wěn)定性和制動(dòng)性的要求高 ， 所以在不增加車重 和重心垂直位置盡量低 的前提下，通過(guò)電路板設(shè)計(jì)安裝來(lái)使模型車的重心適當(dāng)前移 。