关于“飞思卡尔”智能模型车的机械调整方案

关于“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛模型车的 机械调整方案摘要： 第四届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛自08年12月份开始，我们组就开始了对其的研究和改造，在几个月的时间里分别完成车模的组装、舵机的安装、舵机力臂的调节、前轮的角度调节、后轮差速、摄像头支架的固定、重心的调节等问题。使模型车能够适应比赛的需要和符合大家的审美标准。关键字：智能汽车 舵机安装、舵机力臂、前轮角度、差速、摄像头支架、重心1 引言该赛事是由教育部自动化专业指导委员会主办，由飞思卡尔半导体有限公司提供支持的全国性的大学生竞赛。在本次竞赛中，所采用的车模如图1所示。模型车各参数如下表1（数据来自【1】）。 图1基本参数尺寸轴距198mm前轮距137mm后轮距138mm/146mm车轮直径52mm传动比18/72表1该模型车车体采用的是双等臂式单悬架结构。在运动过程中，轮距有可能会发生变化，以至与小车有可能发生侧移现象，因此，在使用中，应注意。本文主要针对摄像头组。根据比赛规则和技术要求，模型车可调参数不多，本文主要对舵机的安装、舵机力臂的调节、前轮的角度（在现代汽车理论中，称为前轮定位）、后轮差速与轮距、摄像头支架的固定、编码器的安装、重心的调节及电路板的安装几个方面来进行调整。2 舵机的安装在智能车控制中，舵机是非常重要的，其的输出转角通过连杆传动来控制前轮的转向。根据对舵机的研究和测试，发现舵机是具有较大的时间常数的惯性环节，其时间延迟正比于转过的角度，反比于舵机的响应速度。对于想提高车速的智能小车来说，舵机的响应速度是影响其过弯最高速度的一个重要的因素，特别对于智能车的前瞻性上。在本次比赛中，我们采用了最基本的舵机安装方法，也是最原始的安装方法，就是按说明书安装，但在组委会组织的智能车参观中发现，获奖车都更改了舵机的安装方法，有的是将舵机按在了舵机挡片上，有的为了获得跟高的灵敏度，将舵机垂直安装在了舵机挡片上。本文建议大家采用后者安装方法，其安装效果如图2所示。 图2 图33 舵机力臂的调节舵机与前轮之间是由连杆连接的，其采用的是杠杆原理，因此，提高舵机控制前轮转向速度就可以应用杠杆原理来调整。由此，大家可以自由发挥，但本文建议大家在舵机的输出罗盘上加长输出臂，使前轮两边的连杆成水平状态，以使达到最便捷、最快速的响应。此处力臂的材料应选用刚度大点的材料，防止出现弯曲现象造成响应延迟。其安装效果图如图2所示。4 前轮的角度在模型车过弯时，转向舵机会因为车轮转向的角度而增加负载，为了降低舵机的负载。经研究现代汽车的前轮定位理论，将其应用在智能车上，前轮定位，是指转向轮、转向节、前轴之间形成一定的相对安装位置。其主要包括：主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前束。 4.1主销后倾角 主销后倾角是主销轴线与地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角，其的原理图如图3。后倾角越大，车速越高，车轮偏转后自动回正能力越强。但过大的回正力矩，会使前轮摆振。通常后倾角值设定在03度。 模型车可通过增减黄色垫片的数量来改变主销后倾角：说明书上有说明，每侧有4片垫片，前2后2，后倾角为0度，可使模型车转向灵活；前1后3，后倾角为23度，可增大回正力矩；前0后4，后倾角为46度，过大，一般不设置此参数。在本模型中，后倾角过大会使转向沉重，可能造成舵机滞后，故在本模型中建议将主销后倾角调整为0度，既黄色垫片前2后2。4.2 主销内倾角主销内倾角是主销轴线与地面垂直线在汽车横向断面内的夹角，主销内倾角也有使车轮自动回正的作用，但过大的内倾角会使得转向沉重，还将加速轮胎的磨损。因此，主销内倾角应控制在6度以内。主销内倾角的调节很简单，但是不好操作，易损坏车模，主要是通过调整前轮与车体连接的螺杆的长度来调节主销内倾角，在操作时要十分注意，否则会使前轮不对称，小车不走直线，当调整过量时，会发现明显的轮胎磨损痕迹。4.3 主销外倾角主销外倾角是汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角。在本模型中，由于模型车不载重，故调节前后作用不大，建议不做调节，但若要调节，应与前轮前束相对应。在模型车中，有4个配件来调节前轮外倾角的，其的标号为：R、L、4R、4L。无数字4的前轮外倾角为0度，有数字4的前轮外倾角大约为1度。4.4 前轮前束前轮前束很好理解，就是将两边前轮调整成内八字样前端小后端大的样子，主要是通过调整舵机与前轮之间连杆上的螺杆的长度来改变调节的，建议大家不做调整，若要调整，应与主销外倾角相匹配。5 后轮差速与轮距在汽车当中，后轮差速机构可以使汽车便于转弯，在本模型车中，也提供了差速机构，即在后轮轴上大齿轮两侧的两个紧压齿轮侧面的圆盘，其中间是一些对称分布的圆珠，通过调节右车轮轴处的螺丝的松紧，来调节差速效果，但是要注意，差速对转弯时的效果有很大的影响，差速不好的话有可能会导致后轮空转，建议大家在调节差速机构时，应使其能适应直道和弯道的需求，以达到最佳效果。当然，在此处也可以给后轮和后轮轴之间增加润滑油，以降低摩擦，提升弯道性能。对于后轮距来说，可调也可不调，但是，在大轮距的情况下，模型车不易发生侧滑现象。6 摄像头支架的固定 在本次竞赛中，我们采用的是OV6620型数字摄像头，该摄像头的一个明显的优点是不需要单片机的A/D转换，而是直接从单片机的I/O接口处输入。对于摄像头来说，有两种安装方法，一种是正向安装，另一种是旋转90度安装。这两种安装的优缺点本文在此不进行叙述，此根据摄像头来进行选择，针对本文采用的摄像头，选择正向安装以可达到所需要求。 对于模型车来说，摄像头就是它的眼睛，因此，其得安装一定要起到画龙点睛的作用。安装前，我们应先考虑好以下几个问题：（1）如何保证摄像头位置居中，若摄像头不居中，采集回来的图像中的黑线就不会再图像的中间，在遇到弯道时，就有可能采集不到黑线，而且，舵机一般是以图像中间为其的中间输出量，因此，摄像头不居中就会使舵机程序复杂化。（2）确定好采集范围，以计算摄像头的高度和角度。以使模型车能够有足够的前瞻性，且摄像头的角度不是很大，以防止过大的角度使采集回来的图像变形太大，增加干扰。降低对算法的不利因素。（3）为了便于摄像头在实际中的调试，摄像头支架一定要是可调的，尤其是角度和高度。以期望能找到最佳值。（4）摄像头的支架的材料刚性要好，质量要轻，安装后不易晃动。 建议如下参数，即可满足要求，当然，根据不同的情况，可灵活调整。 由此，参考各种方案，我们选用了一种最简单的办法，用雨伞把做支架，下方接一个长方形薄铝板，上方做成所需角度的形状，在中间为摄像头的安装打安装孔即可。雨伞把即好取材，刚性又好，而且折叠式的雨伞把是可以调节高度的，这就很方便了，成本又低，做着又快。一个小时就可以做好。7 编码器的安装 编码器在模型车中的作用是用来测速用的，以使模型车形成闭环控制，以使模型车能够平稳的再赛道上运行，尤其是入弯和出弯的地方。在比赛中，常见的测速方法有：（1） 转角编码盘 其分为绝对位置输出和增量式位置输出两种。其各有特点，但建议大家自己制作转角编码盘，将其固定在后轮驱动电机输出轴上的圆盘上，利用光电鼠标来改造是一个很省事的办法。（2） 反射式光电测速 其得办法是在后轮齿轮传动盘上粘贴一个黑白相同的码盘，通过安装在码盘侧面的反射式红外传感器，来读取光码盘的转动脉冲，（3） 霍尔传感器测速 该种测速方法精度不高，对测速精度要求不高的可以考虑此法。 本文采用的是OMRON公司的E6A2-CS3C 100P/R 型转角编码器。其的安装图如下:8 重心的调节及电路板的安装 现代汽车学中汽车重心指的是重力的作用点，其得位置对模型车的动力性能、平稳性能有很大的影响，重心的位置，可通过实验法测得，再此不做叙述，请查阅相关汽车理论的书籍。重心的位置不能盲目的去选定，而是应该根据试验确定，考虑到模型车与汽车的不同，应使模型车的重心靠近前轴，以提高模型车的性能。 电路板的安装应考虑到模型车的稳定性，且不能超出比赛规则中对尺寸的限制，可采取高架、立体的方式架在电池上方；也可安装在舵机与电池中间部位，以降低重心，且可以使重心靠前。在布局的时候一定要根据模型车选择合适的方案，使模型车性能高且美观。9 其他调整在这里，将一些可调可不调的地方简单的讲述一下，供大家参考模型车底盘离地间隙可利用模型车内提供的垫片调节。纵向减震弹簧刚度可通过增加弹簧处的垫片数来使弹簧的预紧力增大。10 结束语本文通过讲解模型车的各种调整方法，详细的介绍了“飞思卡尔”杯智能模型车的结构及调整方案，在不违反比赛规则的基础上，使模型车处于最佳的状态，通过对舵机的安装、舵机力臂的调节、前轮的角度（在现代汽车理论中，称为前轮定位）、后轮差速与轮距、摄像头支架的固定、编码器的安装、重心的调节及电路板的安装等几个方面的调整方案的介绍，愿大家能够有所收获。参考文献【1】 卓晴、黄开胜、邵贝贝.学做智能车挑战“飞思卡尔”杯M.北京：北京航空航天大学出版社，2007【2】 余志生.汽车理论（第三版）M.北京：机械工业出版社，2004.【3】 吴怀宇、程雷、章政.大学生智能汽车设计基础与实践M.北京：电子工业出版社，2008【4】 鲁民巧.汽车构造M.北京：机械工业出版社，2003