【正文】 機(jī) )施加在方向盤上的力，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)向盤上的力反饋。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。 ～ 8176。 前輪外傾角 通過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。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。 左右。 模型車前輪某配件用來調(diào)整前輪外傾角。 即可，關(guān)鍵是前輪前束要與之匹配。由于轉(zhuǎn)向橫拉桿和車橋的約束使車輪不可能向外滾開，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。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”?？赏ㄟ^實(shí)驗(yàn)法、估算法測(cè)出重心位置?？紤]到模型車頻繁轉(zhuǎn)向， 對(duì)于智能車的動(dòng)力性 要求沒有操縱穩(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，通過電路板設(shè)計(jì)安裝來使模型車的重心適當(dāng)前移 。 齒輪傳動(dòng)間距調(diào)整 車模后輪采用 RS380SH4045 電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)軸與后輪軸之間的傳動(dòng)比為 9： 38（電機(jī) 軸齒輪齒數(shù)為 18，后輪軸傳動(dòng)輪齒數(shù)為 76） ， 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)車模的驅(qū)動(dòng)能力有很大的影響。調(diào)整的原則是：兩傳動(dòng)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(huì)增加傳動(dòng)阻力，白白浪費(fèi)動(dòng)力 。聲音刺耳響亮，說明齒輪間的配合間隙過大，傳動(dòng)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(jī)負(fù)載加大。 后輪差速機(jī)構(gòu)調(diào)整 差速機(jī)構(gòu)的作用是在車模轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，降低后輪與地面之間的滑動(dòng)；并且還可以保證在輪胎抱死的情況下不會(huì)損害到電機(jī)。此次所使用車模配備的是后輪差速機(jī)構(gòu)。 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(huì)使差速器性能降低，轉(zhuǎn)彎時(shí)阻力小的車輪會(huì)打滑，從而影響車模的過彎性能。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁 第 4 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 該 智能車 系統(tǒng)采用飛思卡爾 MC9S12DG128B 單片機(jī)為檢測(cè)和控制核心；以紅外傳感器為路徑檢測(cè)傳感器，自動(dòng)檢測(cè)跑道上的黑線；并根據(jù)采集到的黑線信息，通過 軟件對(duì)小車進(jìn)行轉(zhuǎn)向和速度的控制，再通過速度反饋和小車的位置，實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)節(jié)智能車的行進(jìn)狀態(tài)，整體結(jié)構(gòu)框圖如下： 圖 智能車 整體框架結(jié)構(gòu)圖 硬件系統(tǒng)是 智能車中除機(jī)械結(jié)構(gòu)以外的另一個(gè)重要的部分。簡(jiǎn)單、合理而抗干擾能力較強(qiáng)的電路對(duì)于電子 系運(yùn)行的穩(wěn)定、控制的精度都有著直接的影響。 MC9S12 單 片 機(jī) 控制 核心 路徑識(shí)別模 塊塊 塊 測(cè)速模塊 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 車速信號(hào) 舵機(jī)控制信號(hào) 后輪驅(qū)動(dòng) PWM 方波信號(hào) 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 第 16 頁 圖 硬件電路 框 圖 S12 控制核心 系統(tǒng)的控制芯片采用飛思卡爾公司的 MC9S12DG128B,該芯片采用增強(qiáng)型 16 位S12CPU，片內(nèi)總線時(shí)鐘頻率最高可達(dá) 25MHZ；片內(nèi)資源包括 8KBRAM、 128KB FLASH、2KBEEPROM； SCI、 SPI、 PWM 串行接口模塊；還提供 2 個(gè) 8 路 10 位精度 A/D 轉(zhuǎn)換器、控制器局域網(wǎng)模塊 CAN 和增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器，并支持背景調(diào)試模塊（ BDM）。 電源管理模塊 高性能的電源管理系統(tǒng)對(duì)于電子系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行是至關(guān)重要的。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、防止干擾和電路簡(jiǎn)單等方面進(jìn)行優(yōu)化 。智能車控制系統(tǒng)中，不同電路模塊需要的工作電壓和電流容量各不相同，因此電源模塊應(yīng)該包含多個(gè)穩(wěn)壓電路。 電源 主電源 2Ah 鎳鎘電池 穩(wěn)壓器 TPS7350 5V TPS7350 5V TPS7350 6V 用電 模塊 速度傳感器模塊 路徑傳感器模塊 單片機(jī)模塊 驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊 轉(zhuǎn)向舵機(jī)模塊 顯示 模塊 圖 系統(tǒng)電源模塊框圖 單片機(jī)穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)是整個(gè)智能車的核心部分，它的性能是否穩(wěn)定性直接關(guān)系到賽車的行駛狀 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 第 18 頁 況，如果穩(wěn)壓電源選擇不好，將會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)容易復(fù)位、抗干擾性能差。適合的芯片有 780 LM257 TPS7350 等。電源特性主要分為線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器，其中線性穩(wěn)壓器穩(wěn)壓精度高，但在工作中會(huì)造成較大的 熱損失 (其值為 V 壓降 I 負(fù)荷 ) ，效率較低；開關(guān)穩(wěn)壓器效率較高，但有較高的電源噪音耗音，耗電量較大的電路適合采用。所以需要選擇一些工作壓差小的穩(wěn)壓芯片，壓差即芯片能正常工作時(shí)的輸入電壓與輸出電壓的差值。在都可以實(shí)現(xiàn)其功能時(shí)，穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)需要簡(jiǎn)單可靠，同時(shí)便于檢測(cè)，所以還會(huì)以其芯片外圍電路的相對(duì)復(fù)雜程度選用盡可能簡(jiǎn)單的芯片。在智能車控制系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)電源為電 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 第 19 頁 池供電，自然 TPS7350 也就成為電源調(diào)節(jié)器件的首選。利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。 本智能車控制系統(tǒng)的電源管理都是圍繞 TPS7350的使用而展開的。 舵機(jī)本身是一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)。通過內(nèi)部的位置反饋，使它的舵盤輸出轉(zhuǎn)角正比于給定的控制信號(hào)，因此對(duì)于它的控制可以使用開環(huán)控制。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 第 20 頁 舵機(jī)接口一般采用三線連接方法，黑線為地線，紅線為電源線，另外一根為控制信號(hào)線。 舵機(jī)輸入電壓為 ,下表為舵機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩參數(shù)： 表 舵機(jī)主要參數(shù) 速度 : sec/60176。 轉(zhuǎn)矩 : 72 ozin() 90 ozin() 6V 由上表數(shù)據(jù)可以看出隨著舵機(jī)輸入電壓的提高，舵機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩也隨著增大。 然而 TPS7350的輸出電壓為 +5V，為了實(shí)現(xiàn) +6V 輸出，需要在圖 2個(gè)二極管，提高對(duì)地 參考電位，即可滿足穩(wěn)定 +6V 輸出的要求，體現(xiàn)了使用 TPS7350進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)潔性 。 圖 舵機(jī)供電電路 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 直流電機(jī)脈寬調(diào)速通過改變控制電壓的脈沖寬度來改變加在直流電機(jī)上的平均電樞電壓的大小，從而改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 IN1 輸入的 PWM 占空比控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速， IN2 輸入高低電平控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng) IN2 接收低電平信號(hào)時(shí)， Q2H 常開；而 Q4L 截止。這時(shí)，電機(jī)兩端得到電壓而旋轉(zhuǎn)，而且占空比越大，轉(zhuǎn)速越高。 電機(jī)型號(hào)為 RS380，工作電壓為 ，空載電流為 轉(zhuǎn)速 16200r/min。因而采用TD340 芯片和四片 N 溝道 MOSFET 管構(gòu)成的 H 橋直流 電機(jī)方案。實(shí)踐證明，此電路可靠性高、控制方便、效率高、驅(qū)動(dòng)電流大，具有較高的實(shí)用價(jià)值。 圖 為 TD340 外形和引腳圖。 圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 TD340 內(nèi)集成有可驅(qū)動(dòng)Ｎ溝道高邊功率 MOS 管的電荷泵和內(nèi)部ＰＷＭ發(fā)生器，可進(jìn)行速度和方向控制而且功耗很低，同時(shí)具有過壓（ 20V）、欠壓（ ）保護(hù)功能，以及反向電源有源保護(hù)功能。除此之外， TD340 芯片還具有Ｈ橋直流電機(jī)部分和微控制器之間的必要接口。其中速度由 PWM 來控制，當(dāng)然 也可以接受外部的ＰＷＭ信號(hào)。實(shí)際上，當(dāng) CF 端直接接地時(shí)，輸入TD340 的數(shù)字信號(hào)就可直接產(chǎn)生 PWM 信號(hào)。 IRF3205 的優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)速度快，通路電阻低和電壓門信號(hào)低，適合于大電流和低電壓運(yùn)行。每個(gè) MOSFET 并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓管，使得任何一個(gè)通路導(dǎo)通時(shí)直流電機(jī)兩端電壓恒定。把具有 20 個(gè)齒的法蘭盤安裝在小車后輪軸，隨電機(jī)驅(qū)動(dòng)后軸轉(zhuǎn)動(dòng)使法蘭盤隨之等速度轉(zhuǎn)動(dòng)。 小車后輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)光碼盤 旋轉(zhuǎn)，當(dāng)紅外發(fā)射管發(fā)射出的紅外光遇到法蘭盤的齒的時(shí)候，紅外光被遮擋，至紅外接收管接收不到發(fā)射管發(fā)射的紅外光，光電開關(guān)處于斷開狀態(tài)；而當(dāng)紅外光遇到間隙的時(shí)候 ，接收管便可接受到紅外光線，紅外接收管處于導(dǎo)通狀態(tài)。將此信號(hào)再通過 CD40106 進(jìn)行整形，送入單片機(jī)中，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)車速的檢測(cè)。 3211311144567 891012CD40106cesuVDD_other10kR6IOC1R161201243U6 圖 速度檢測(cè)原理圖 假設(shè) n 為后軸的轉(zhuǎn)速（單位為 r/s） 。 則： N=T*n*P 因此小車后輪的轉(zhuǎn)速為： n=N/(P*T) 那么，小車的瞬時(shí)速度為： V=*n*D 這樣，就完成了對(duì)小車速度的測(cè)量。 在設(shè)計(jì)檢測(cè)電路 PCB 板的時(shí)候，考慮到小車重心應(yīng)盡量靠近小車后軸，這樣不但可以防止小車前傾、穩(wěn)定性下降、轉(zhuǎn)彎不穩(wěn)的狀況，同時(shí)，也可以提高小車的動(dòng)力性能。 采集板原理圖如圖 。安裝紅外傳感器的過程中，做了反復(fù)的測(cè)試。光電檢測(cè)電路板的支架采用具有一定硬度的鋁合金制作，安裝牢固可靠，使在小車發(fā)生急轉(zhuǎn)彎或撞車的時(shí)候，檢測(cè)電路板不至發(fā)生晃動(dòng)，甚至變形，影響檢測(cè)效果。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 第 26 頁 圖 采集板安裝實(shí)物圖 對(duì)于外界環(huán)境對(duì)光電管的影響，以及相鄰發(fā)射管的相互干擾問題，除了選用發(fā)射與接收一體化的紅外傳感器，用它們的外殼來抑制相互干擾之外，還將每個(gè)紅外傳感器安裝上等長(zhǎng)的熱收縮管，實(shí)踐證明，當(dāng)安裝上長(zhǎng)度適宜的套管之后，相鄰發(fā)射管的干擾可完全抑制住。因此，程序設(shè)計(jì)的基本原則是，首先考慮小車的穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上，盡量提高小車的速度。各個(gè)模塊有相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口，方便其它模塊調(diào)用，這樣，系統(tǒng)條理顯得清晰。 時(shí)鐘初始化 單片機(jī)的晶振是 16MHz， MC9S12DG128在時(shí)鐘初始化后可以通過鎖相環(huán)將系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)鐘提高到 48MHz，這里就用到了一些寄存器中的某些位，倍頻公式如下： ? ?? ?1_ 1_UEO S CCL K _V A L2BU S _CL K ????? V A L U ER E F D V V A L U ESY NR （ ） 其中， OSCCLK_VALUE——系統(tǒng)的外部晶振； REFDV_VALUE——系統(tǒng)時(shí)鐘分頻系數(shù)，在初始化中，它的值為 3； SYNR_VALUE——倍頻系數(shù)，它的 值為 3。 void CLK_init(void){ //鎖相環(huán) 24M SYNR=2。 //PLL=2*OSC*(SYNR+1)/(REFDV+1) while(!(CRGFLG amp。 //設(shè)置鎖相環(huán)為內(nèi)部時(shí)鐘 } 串口初始化 可以看到， 不論 8位、 16位還是 32位單片機(jī)的最小系統(tǒng)都是通過異步串行口與人溝通的。 為了便于調(diào)試，本系統(tǒng)利用串口通信接口 SCI實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。 串口初 始化函數(shù)： SCI_Init(uchar BUS_CLK, unsigned long BR)，它有兩個(gè)輸入變量，其中 BUS_CLK 是系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率 ,BR 為波特率。 AD 初始化 AD的初始化主要是設(shè)置一些相關(guān)的寄存器位，以 ATD0為例，相應(yīng)的初始化如下。 void AD_Init(void) //AD初始化 { ATD0CTL2 = 0xC0 。 //控制寄存器 3：轉(zhuǎn)換序列長(zhǎng)度為 8， FIFO模式 ATD0CTL4 = 0x83。 //控制寄存器 5：從 0通道開始的多道連續(xù)無符號(hào)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果右對(duì)齊方式 ATD0DIEN=0x00。 //控制寄存器 2：上電，標(biāo)志位快速清零，關(guān)中斷 ； ATD1CTL3 = 0x7C。 //控制寄存器 4： 8位轉(zhuǎn)換精度， 8分頻 ATD1CTL5 = 0xB0。它在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、 D/A變換等場(chǎng)合有著廣泛的應(yīng)用。 對(duì)于控制電機(jī)的 PWM信號(hào)的頻率應(yīng)小于 25KHZ 。另一方面也可以通過機(jī)械方式，利用舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn) 矩余量，將角度進(jìn)行放大，加快舵機(jī)的響應(yīng)速度。本設(shè)計(jì)中，通過測(cè)試找到了 40度對(duì)應(yīng)的脈沖寬度。這樣，不僅使得電池電能的消耗量增加，同時(shí)也會(huì)縮短紅外發(fā)射管的壽命，甚至?xí)龤Ъt外發(fā)射管。具體來說，由于紅外接收管響應(yīng)速度快，而道路檢測(cè)周期一般為十幾毫秒，相比之下，紅外接收管對(duì)于道路反射光的響應(yīng)時(shí)間以及單片機(jī)通過 A/D端口讀取該信號(hào)的十幾都很短，一般在幾十微妙。用 PWM信號(hào)周期信號(hào)驅(qū)動(dòng)大功率 MOSFET管，這樣紅外發(fā)射管工作在周期窄脈沖方式下，大大降低了平均工作電流，從而降低了整個(gè)發(fā)射電路的電量消耗。 // PWM01 合并 16 bt PWMPRCLK =