【正文】 考慮可靠性，又兼顧結(jié)構(gòu)調(diào)整與安裝的便利性?？紤]到賽車(chē)和賽道的情況，這里只介紹與動(dòng)力性、制動(dòng)性和操縱穩(wěn)定性相關(guān)的理論。模型車(chē)為電機(jī)前后輪同時(shí)驅(qū)動(dòng)，如果僅從此方面考慮，重心應(yīng)該盡量靠近中心。制動(dòng)方向的穩(wěn)定性與前后輪的抱死次序有關(guān)，而抱死次序則與重心位置有關(guān)，若重心靠前，則容易發(fā)生后輪側(cè)滑，對(duì)高速汽車(chē)危險(xiǎn)性大；若重心后移，則前輪容易喪失轉(zhuǎn)向能力。對(duì)于汽車(chē)的操縱性，操縱穩(wěn)定性好就必須有不足轉(zhuǎn)向特性，并且不足轉(zhuǎn)向不應(yīng)過(guò)大。相應(yīng)的具有中性轉(zhuǎn)向特性的汽車(chē)，其半保持不變，具有過(guò)多轉(zhuǎn)向特性的汽車(chē)其轉(zhuǎn)彎半徑越來(lái)越小。 綜合上面的理論可知:重心靠近后軸，對(duì)于模型車(chē)動(dòng)力性能有益；重心靠近前軸，于模型車(chē)的制動(dòng)性和操縱穩(wěn)定性有益。通過(guò)以上理論分析并結(jié)合大量實(shí)驗(yàn)，我們將汽車(chē)模型的重心調(diào)整在前后軸之間五分二左右的位置，并使其靠近前軸，這時(shí)智能車(chē)的行駛比較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向也比較靈活，行路線平滑。當(dāng)車(chē)輛在正常的過(guò)彎行進(jìn)中 (假設(shè)：無(wú)轉(zhuǎn)向不足亦無(wú)轉(zhuǎn)向過(guò)度)，此時(shí)4個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速(輪速)皆不相同，依序?yàn)椋和鈧?cè)前輪＞外側(cè)后輪＞內(nèi)側(cè)前輪＞內(nèi)側(cè)后輪。差速器的特性是：阻力越大的一側(cè)，驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速越低；而阻力越小的一側(cè)，驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速越高。差速器的調(diào)整中要注意滾珠輪盤(pán)間的間隙，過(guò)松過(guò)緊都會(huì)使差速器性能降低，轉(zhuǎn)彎時(shí)阻力小的車(chē)輪會(huì)打滑，從而影響賽車(chē)的過(guò)彎性能。 防側(cè)滑理論 汽車(chē)側(cè)滑分為前輪側(cè)滑、后輪側(cè)滑和四輪側(cè)滑三種情況。但后輪側(cè)滑特別是轉(zhuǎn)彎時(shí)外側(cè)滑危險(xiǎn)性極大，因?yàn)樗鼤?huì)加大轉(zhuǎn)向角速度，導(dǎo)致越滑越烈，如“抱死”，路面越滑，制動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，側(cè)滑也就越嚴(yán)重，其離心力（慣性側(cè)翻力矩）也因側(cè)滑而加大，當(dāng)大于車(chē)輛重力的穩(wěn)定力矩時(shí)就會(huì)翻車(chē)。前輪定位參數(shù)、車(chē)速、輪胎氣壓、載荷和驅(qū)動(dòng)方式都是引起前輪側(cè)滑的因素，但前輪定位參數(shù)中前束值與外傾角匹配是影響前輪側(cè)滑的最主要因素。合理地調(diào)節(jié)這些參數(shù)，是前輪側(cè)滑達(dá)到最小。經(jīng)過(guò)我們的分析，假設(shè)模型車(chē)勻速過(guò)彎，那么它所受到的向心力是不變的，設(shè)為F1，將F1分解為平行于模型車(chē)的力F2和垂直于模型車(chē)的力F3，如圖25所示： 圖25轉(zhuǎn)彎受力分析 Turn stress analysis 其中F2將影響模型車(chē)的前滑力，而F3是阻止模型車(chē)側(cè)向滑動(dòng)的力，根據(jù)理論分析，我們認(rèn)為當(dāng)保持模型車(chē)過(guò)彎速度不變時(shí)（即保持向心力不變），減小F2即能增大模型車(chē)的防側(cè)滑力F3，所以我們建立了一套較好的過(guò)彎算法，詳細(xì)算法見(jiàn)軟件算法一章。因?yàn)檩喬ナ擒?chē)輛和地面的唯一聯(lián)系，而這個(gè)聯(lián)系僅僅取決于輪胎和地面的接觸面的摩擦力。計(jì)算兩個(gè)物體表面之間所產(chǎn)生的摩擦力的公式是： (22)其中是最大摩擦力， N為物體表面所受到的正壓力，μ表示摩擦系數(shù)。它隨著溫度、壓力，還有更重要的是它隨著滑動(dòng)量而改變[5]。而縱軸表示摩擦系數(shù)，在圖中左邊的部分， 發(fā)生于輪胎內(nèi)部的滑動(dòng)處于支配的地位，就是常說(shuō)的“輪胎蠕動(dòng)”。這也產(chǎn)生了所謂的“測(cè)滑角(Slip Angle)”。這時(shí)候，輪胎會(huì)有一些橫向滑動(dòng)。這是因?yàn)檩喬ジ孛娼佑|的方式其實(shí)是非常特別的，其中包含兩個(gè)不同的機(jī)械作用：變形力和粘合力。舉例說(shuō)：當(dāng)滑動(dòng)量比較大的時(shí)候，變形力就會(huì)大于粘合力，占支配地位?；瑒?dòng)量0100%μ摩擦系數(shù)圖26滑動(dòng)量與摩擦力系數(shù)關(guān)系 The relationship of slippage and friction coefficient 在圖中的橫軸表示滑動(dòng)量，從0%(沒(méi)有滑動(dòng)，輪胎僅僅是向前滾動(dòng))，到100%(輪胎垂直于地面且垂直于車(chē)輛行進(jìn)的方向)。當(dāng)輪胎在壓力下變形，且輪胎接地塊偏離其縱軸運(yùn)動(dòng)，這種情況就會(huì)發(fā)生。在圖中右邊的部分，在兩個(gè)表面之間的滑動(dòng)處于支配地位。應(yīng)該注意的是：當(dāng)輪胎產(chǎn)生少量的橫向滑動(dòng)(通常在5%到15%之間)時(shí)，摩擦系數(shù)達(dá)到了最大值。當(dāng)壓在輪胎上的重量或滑動(dòng)量發(fā)生改變的時(shí)候，這兩個(gè)因素的比例就會(huì)發(fā)生改變。 當(dāng)橡膠的復(fù)合成分(pound)非常軟，而且穩(wěn)定較高、路面也比較平滑的時(shí)候 ，粘合力就會(huì)占支配地位[4]。首先結(jié)合汽車(chē)?yán)碚摵痛罅康膶?shí)驗(yàn)對(duì)智能車(chē)前輪主銷(xiāo)后傾角、主銷(xiāo)內(nèi)傾角、前輪外傾角、車(chē)輪前束等前輪定位參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，使智能車(chē)直線行駛穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向輕便，轉(zhuǎn)向后能自動(dòng)回正，并減少輪胎的轉(zhuǎn)向零件磨損等。3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)本智能車(chē)系統(tǒng)采用“飛思卡爾”單片機(jī)MC9S12XS128作為核心控制單元，由安裝在智能車(chē)前部的電磁傳感器獲得賽道空間磁場(chǎng)信息并傳到核心控制單元單片機(jī)中，由智能車(chē)“大腦”接收并處理從傳感器傳回的信息，PWM模塊產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波，通過(guò)輸出不同占空比控制智能車(chē)的轉(zhuǎn)向舵機(jī)與直流電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)控制智能車(chē)按照規(guī)定賽道行駛。不論是某一路采集信號(hào)的誤判還是單片機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)控制的失當(dāng)，都會(huì)引起智能車(chē)在行駛過(guò)程中產(chǎn)生抖動(dòng)甚至偏離賽道。本章詳細(xì)介紹了智能小車(chē)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)以及其硬件設(shè)計(jì)。舵機(jī)通過(guò)車(chē)模的機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)小車(chē)的轉(zhuǎn)向控制，直流電機(jī)為小車(chē)提供動(dòng)力，通過(guò)齒輪嚙合直接對(duì)前后輪提供驅(qū)動(dòng)力。HC12核心是16位高速CPU12核，總線速度8MHZ；HCS12系列單片機(jī)以速度更快的CPU12內(nèi)核為核心，簡(jiǎn)稱S12系列，典型的S12總線速度可以達(dá)到25MHZ?？偩€頻率最高可達(dá)40 MHz。MC9S12XS128就是S12X系列中的一個(gè)成員[5]。CPU外部總線頻率為8MHz，內(nèi)部運(yùn)算速度為25MHz。內(nèi)部寄存器組中的寄存器、堆棧指針和變址寄存器均為16位。MC9S12XS128的最小硬件系統(tǒng)可以分為以下幾個(gè)部分:1）供電電路：開(kāi)發(fā)板的供電是靠外部+5V電源，通過(guò)外部電源提供的。由于S12單片機(jī)內(nèi)部集成了電壓調(diào)整器模塊，電壓調(diào)整器模塊產(chǎn)生單片機(jī)內(nèi)部需要的其他電壓，因此只要向S12單片機(jī)提供+5V外部電源就可以了。在單片機(jī)電源端使用電容和電感進(jìn)行濾波，保證單片機(jī)工作的穩(wěn)定性[7]。其外部晶振電路有兩種接線方式，一種是串聯(lián)振蕩電路，另一種是并聯(lián)振蕩電路。 圖33 晶振電路 The circuit of crystal oscillator 3）復(fù)位電路：雖然單片機(jī)片內(nèi)集成有上電復(fù)位電路，單片機(jī)上電時(shí)可自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，但加上一個(gè)手動(dòng)復(fù)位按鈕會(huì)給調(diào)試帶來(lái)方便。而且如果使用上電復(fù)位，容易產(chǎn)生復(fù)位不成功。復(fù)位監(jiān)控器件，主要可以大大提高M(jìn)CU的復(fù)位性能，其原理是通過(guò)確定的電壓值（閾值）啟動(dòng)復(fù)位操作，同時(shí)排除瞬間干擾的影響，又有防止MCU在電源啟動(dòng)和關(guān)閉期間的誤操作，保證數(shù)據(jù)安全。BDM接口通信示意圖如圖35所示：圖35 BDM下載電路 The circuit of BDM download完成這4部分電路，就可以對(duì)單片機(jī)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，可以向單片機(jī)下載程序、調(diào)試程序等，可以在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)。模型車(chē)通過(guò)自身系統(tǒng)，采集賽道信息，獲取自身速度信息，加以處理，由芯片給出指令控制其前進(jìn)轉(zhuǎn)向等動(dòng)作，各部分都需要由電路支持，電源管理尤為重要。電源系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)能否穩(wěn)定工作的關(guān)鍵所在，其標(biāo)稱容量為2000mAh，該電池可在2A的工作電流下持續(xù)工作1小時(shí)。而且在電路設(shè)計(jì)中，考慮到由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)所引起的電源不穩(wěn)定，在電源輸入端各芯片電源引腳多加入濾波電路。AMS11175穩(wěn)壓芯片有兩個(gè)版本：固定輸出版本和可調(diào)版本，、具有1%精度，發(fā)熱小，穩(wěn)壓需要很小壓差；AMS11175內(nèi)部集成過(guò)熱保護(hù)和限流電路，是電池供電和便攜式計(jì)算機(jī)的最佳選擇。INH引腳為高電平，使能BTS7960。IN=1且INH=1時(shí)，高邊MOSFET導(dǎo)通，OUT引腳輸出高電平；IN=0且INH=1時(shí)，低邊MOSFET導(dǎo)通，OUT引腳輸出低電平。IS引腳是電流檢測(cè)輸出引腳。電磁編碼器的安裝精度較高，要求編碼器軸與賽車(chē)后軸同軸，通過(guò)齒輪與賽車(chē)差速器相聯(lián)。安裝部位結(jié)構(gòu)如圖圖39所示：圖39 實(shí)際安裝 The actual installation 調(diào)試模塊 鍵盤(pán)模塊 我們采用4個(gè)按鍵構(gòu)成鍵盤(pán)，四個(gè)鍵用于調(diào)試參數(shù)。當(dāng)沒(méi)有鍵按下時(shí)，IO讀入高電平，有鍵按下是，IO口讀入低電平，電路如310所示。LCD采用小巧的手機(jī)液晶屏5110，主要用于小車(chē)調(diào)試時(shí)，顯示跑道參數(shù)，和各可控單元參數(shù)等。 路徑識(shí)別模塊 導(dǎo)線周?chē)碾姶艌?chǎng)根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，交變的電流會(huì)在周?chē)a(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)。甚低頻率范圍處于工頻和低頻電磁波中間，為3KHz~30KHz，波長(zhǎng)為100km~10km。通過(guò)檢測(cè)相應(yīng)的電磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向可以反過(guò)來(lái)獲得距離導(dǎo)線的空間位置，這正是我們進(jìn)行電磁導(dǎo)航的目的。為此，我們將導(dǎo)線周?chē)兓拇艌?chǎng)近似緩變的磁場(chǎng)，按照檢測(cè)靜態(tài)磁場(chǎng)的方法獲取導(dǎo)線周?chē)拇艌?chǎng)分布，從而進(jìn)行位置檢測(cè)[7]。圓上的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小相同，并隨著距離導(dǎo)線的半徑r增加成反比下降。根據(jù)法拉第定律，線圈磁場(chǎng)傳感器的內(nèi)部感應(yīng)電壓E與磁場(chǎng)、電磁線圈的圈數(shù)N、截面面積A的關(guān)系有： (34) 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向可以用楞次定律來(lái)確定。再根據(jù)導(dǎo)線磁場(chǎng)分布規(guī)律，則線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可近似為： (35) 即線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小正比于電流的變化率，反比于線圈中心到導(dǎo)線的距離。 雙水平線圈方案 人類(lèi)對(duì)于磁場(chǎng)的認(rèn)識(shí)和檢測(cè)起源很早，我國(guó)古代人民很早就通過(guò)天然鐵來(lái)感知地球磁場(chǎng)的方向，從而發(fā)明了指南針。（電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng)、磁滯電阻效應(yīng)）、磁機(jī)械效應(yīng)、磁光效應(yīng)、核磁共振、超導(dǎo)體與電子自旋量子力學(xué)效應(yīng)。（2）霍爾效應(yīng)磁場(chǎng)測(cè)量方法：半導(dǎo)體霍爾傳感器、磁敏二極管，磁敏三極管。（4）載流子自旋相互作用磁場(chǎng)測(cè)量方法：自旋閥巨磁效應(yīng)磁敏電阻、自旋閥三極管磁場(chǎng) 傳感器、隧道磁致電阻效應(yīng)磁敏電阻。（6）質(zhì)子磁進(jìn)動(dòng)磁場(chǎng)測(cè)量方法。我們需要選擇適合車(chē)模競(jìng)賽的檢測(cè)方法，除了檢測(cè)磁場(chǎng)的精度之外，還需要對(duì)于檢測(cè)磁場(chǎng)的傳感器的頻率響應(yīng)、尺寸、價(jià)格、功耗以及實(shí)現(xiàn)的難易程度進(jìn)行考慮。如果在通電直導(dǎo)線兩邊的周?chē)Q直放置兩個(gè)軸線相互垂直并位于與導(dǎo)線相垂直平面內(nèi)的線圈，則可以感應(yīng)磁場(chǎng)向量的兩個(gè)垂直分量，進(jìn)而可以獲得磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向。我們先討論一種最簡(jiǎn)單的線圈設(shè)置方案：雙水平線圈檢測(cè)方案。xyz軸滿足右手方向。這兩個(gè)線圈的間隔為L(zhǎng)，線圈的高度為h，參見(jiàn)下圖315所示。由于磁場(chǎng)分布是以z軸為中心的同心圓，所以在計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度的時(shí)候我們僅僅考慮坐標(biāo)(x,y)。根據(jù)上面(35)公式可以知道感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小與成正比[8]。為此，我們可以使用相距長(zhǎng)度為L(zhǎng)的兩個(gè)感應(yīng)線圈，計(jì)算兩個(gè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的差值： (36) 下面假設(shè)L=30cm，計(jì)算兩個(gè)線圈電動(dòng)勢(shì)差值如下圖所示： 圖317 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差值與x函數(shù) EMF difference function with x 從上圖可以看出，當(dāng)左邊線圈的位置x=15cm的時(shí)候，此時(shí)兩個(gè)線圈的中心恰好處于跑道中央，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差值Ed為0。因此在位移0~30cm之間，電動(dòng)勢(shì)差值Ed與位移x是一個(gè)單調(diào)函數(shù)。通過(guò)改變線圈高度h，線圈之間距離L可以調(diào)整位置檢測(cè)范圍以及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小。由于霍爾元件和磁阻傳感器的檢測(cè)精度比較低，價(jià)格比較高。感應(yīng)線圈可以自行繞制，也可以采用市面上的工資電感。如下圖所示。如下圖所示： 圖319 工字磁材電感 The word magnetic inductance 信號(hào)選頻放大使用電感線圈可以對(duì)其周?chē)慕蛔兇艌?chǎng)感應(yīng)出響應(yīng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在檢測(cè)幅值之前必須進(jìn)行有效的放大，放大倍數(shù)一般要大于100倍（40db）。如下表所示：表1 典型的環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍 Typical environmental magnetic field intensity range磁場(chǎng)環(huán)境家用電器一米范圍地表面地球磁場(chǎng)工業(yè)電機(jī)和電纜十米范圍內(nèi)磁場(chǎng)性質(zhì) 50HZ 恒定 50HZ20KHZ磁場(chǎng)強(qiáng)度103102 1100104102（3） 比賽選擇20kHz的交變磁場(chǎng)作為路徑導(dǎo)航信號(hào)，在頻譜上可以有效地避開(kāi)周?chē)渌艌?chǎng)的干擾，因此信號(hào)放大需要進(jìn)行選頻放大，使得20kHz的信號(hào)能夠有效的放大，并且去除其它干擾信號(hào)的影響。上述電路諧振頻率為： 。 幅度測(cè)量測(cè)量放大后的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值E可以有多種方法。圖321傳感器電路 Sensor circuit 硬件的抗干擾措施 硬件干擾的基本要素有三個(gè)： 1）干擾源：指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號(hào)。 2）傳播路徑：指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。 3）敏感器件：指容易被干擾的對(duì)象。 因此，抗干擾設(shè)計(jì)的基本原則就是：抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的抗干擾性能。② 布線時(shí)避免90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射。② 注意晶振布線。③ 電路板合理分區(qū)。盡可能把干擾與敏感元件遠(yuǎn)離。 3）提高敏感器件的抗干擾性能① 布線時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲。可減小壓降，并降低耦合噪聲。 ④ IC器件盡量直接焊在電路板上，少用IC座。同時(shí)分析了系統(tǒng)的抗干擾措施。要進(jìn)行的外部控制輸出有：舵機(jī)轉(zhuǎn)向輸出、驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力輸出、以及調(diào)試用的狀態(tài)信息通過(guò)LCD顯示輸出。 總體控制流程圖整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)為主控MCU，對(duì)模擬和數(shù)字傳感器信號(hào)進(jìn)行采集處理，并對(duì)輸出的PWM分別控制，進(jìn)行舵機(jī)和電機(jī)的控制，控制舵機(jī)來(lái)決定賽車(chē)的角度，通過(guò)電路驅(qū)動(dòng)來(lái)控制電機(jī)，決定賽車(chē)的速度。智能小車(chē)的控制軟件采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)。圖41 總體控制流程圖 The flow chart overall control 控制策略分析由于賽車(chē)在行駛路線上有很多的選擇，所以凈速度快的賽車(chē)在比賽中是有優(yōu)勢(shì)的，而在硬件條件成熟之后，賽車(chē)在直道上和彎道上的速度都是