飞思卡尔机械部分调节.doc

全国大学生“飞思卡尔”杯 智能汽车竞赛 (1)
2009-04-28 19:30

简要说明赛车设计的总体思路，硬件系统设计和软件系统设计的基本实现方案。
第三章 机械部分的设计与实现
在不违反大赛规则的情况下，对赛车的机械部分做了相关调整和改造，使小车的机械性能得到提升，为赛车良好的行驶表现奠定基础。 2
第一章 引言
第四章 硬件系统的设计与实现
详细介绍了赛车硬件电路的设计方案，其中包括电源管理模块、视频采集模块、驱动电机模块、转向舵机模块以及测速模块。
第五章 赛车软件系统的设计与实现。
首先介绍了赛车系统设计中用到的各个S12 功能模块，并对其初始化方法进行简要说明。接下来具体介绍了黑线提取算法，最后对赛车的方向控制以及速度控制方案进行了细致说明。
第六章 赛车系统的调试
详细介绍赛车软硬件系统的调试方法，并对赛车在模拟赛道上的行驶表现进行评估。
第七章 结论
详细介绍赛车的主要技术性能参数，对赛车设计制作过程进行总结，指出今后改进的方向。
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第二章 系统设计方案和技术概要
2.1 赛车系统的设计要求
根据大赛要求，设计的赛车要能够在白色赛道上识别出黑色引导线，并根据黑线走向自动控制车轮转角和车速，从而实现赛车高速稳定的自主寻线行驶。为使赛车沿着规定的赛道自动寻找黑色引导线并尽可能的高速前进，赛车必须具备一套能对黑线进行检测并实时控制车速、方向的智能处理系统，同时需要赛车本身提供强有力的机械支撑。比赛对赛车系统具体的设计要求如下：
智能竞赛车模的规定
1) 禁止改动车底盘结构、轮距、轮径及轮胎；
2) 禁止改动驱动电机的型号及传动比；
3) 禁止改造滚珠轴承；
4) 禁止改动舵机，但可以更改舵机输出轴上连接件；
5) 禁止改动驱动电机以及电池，车模主要前进动力来源于车模本身直流电机及电池；
6) 为了车模的行驶可以安装电路、传感器等，允许在底盘上打孔或安装辅助支架等。
电路器件及控制驱动电路限制
1) 核心控制模块可以采用组委会提供的HCS12模块，也可以采用MC9SDG128自制控制电路板,除了DG128MCU之外不得使用辅助处理器以及其它可编程器件；
2) 伺服电机数量不超过 3个；
3) 传感器数量不超过16个（红外传感器的每对发射与接受单元计为1个传感器，CCD传感器记为1个传感器）；
4) 直流电源使用大赛提供的电池；
5) 禁止使用DC-DC升压电路为驱动电机以及舵机提供动力；
6) 全部电容容量和不得超过2000微法；电容最高充电电压不得超过25伏。 4
第二章 系统设计方案与概要
赛道基本参数（不包括拐弯点数目、位置以及整体布局）
1) 赛道路面用专用白色基板制作，在分赛区以及决赛区进行初赛阶段时，跑道所占面积不大于5000mm* 7000mm，跑道宽度不小于600mm；决赛阶段时跑道面积可以增大。赛道路面制作材料型号会在网站给出。
2) 跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25mm；
3) 跑道最小曲率半径不小于500mm；
4) 跑道可以交叉，交叉角为90°；
5) 赛道直线部分可以有坡度在15度之内的坡面道路，包括上坡与下坡道路。
6) 赛道有一个长为1000mm的出发区，如下图所示，计时起始点两边分别有一个长度100mm黑色计时起始线，赛车前端通过起始线作为比赛计时开始或者与结束时刻。
比赛最终成绩计算由下面公式给出：
比赛最终成绩(秒) = Ts * (1-0.01R)
式中Ts为赛车最快单圈时间（秒）；R为技术报告评分（分值范围0-10）。
2.2 赛车系统的设计方案
仔细研究比赛规则和竞赛要求，我们对赛车系统设计的基本策略作出以下分析：
第一，智能车竞赛是基于同一开发平台上设计的赛车进行竞速比赛，因而赛车的速度和稳定性是决定比赛成绩的关键。在保证赛车稳定行驶的前提下，车速越高，比赛成绩就越好。因此，在赛车的设计中应该遵循稳中求快的基本原则。
第二，赛车需要实现自主寻迹，因而需要选择合适的寻线传感器。目前普遍采用的寻线方案主要有光电管寻迹和CCD摄像头寻迹。光电管通过红外收发管检测接收到的反射光强，以此判断赛道黑线，反应速度快，电路简单。但是比赛对赛车传感器数量有要求，因而采用光电管寻迹的精度就受到限制，并且光电管寻迹前瞻性较差，容易受干扰；而CCD摄像头则是通过图像采集，动态拾取路径信息来进行寻线判断。采用CCD摄像头寻迹则能大幅度提升赛车的前瞻距离，有利于赛车提高车速。但是它是以实现小车视觉为目的的，数据处理量比较大，算法较为复杂。经过方案讨论，我们最终选取CCD摄像头作为赛车的寻线传感器。 5
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第三，竞赛车模本身是一个机械系统，赛车的机械性能对于赛车的行驶表现具有很大的影响。因此，在大赛规则允许的范围内，结合汽车构造和汽车系统动力学的相关理论对赛车运动模型进行分析并对其机械结构和运行参数进行优化和调整。
第四，由于速度是比赛的关键，那么在赛车的设计中应尽可能的减轻系统负载。在硬件电路的设计过程中，在避免相邻电磁干扰的情况下应尽量考虑将各种芯片放在一起，减少飞线，提高电路稳定性。
2.3 系统硬件结构设计
整个系统以MC9S12DG128B为核心，为了能够让系统快速有效的工作，设计了视频采集模块、电源管理模块、电机驱动模块、车速采集模块和单片机处理模块。同时辅助于一定的机械结构设计，使整个有机的结合在一起，赛车的整体结构如图1-1所示。
视频采集模块是赛车的眼睛，本次比赛赛车采用CCD摄像头作为寻线传感器，利用螺杆将CCD摄像头架设在车体上方，架设高度和镜头角度可以自由调节。视频采集由S12 单片机的AD 模块，外围芯片（LM1881）和电路，与摄像头组成。其功能是获取前方赛道的图像数据，以供S12 作进一步分析处理。
赛车系统由额定电压为7.2V的蓄电池进行供电，而赛车各模块需要不同的电压供给，因此需要进行电压调节。为此设计了电源管理模块，电源模块在智能车控制系统中好比人的心脏，它可以根据不同模块的用电需求，对各模块进行分开独立供电。
直流电机驱动没有采用大赛组委会提供的MC33886型驱动芯片，而是自制了H桥驱动电路，经过测试，不仅能提供较大的驱动电流，同时还可以双向驱动，因此能够使赛车在比赛中加速性能更加优越，制动效果更加理想。
为了能够实时的监控赛车的行驶速度，我们设计了车速测量模块。采用RPR－220型红外反射式光电传感器作为基本的采集单元，在赛车减速齿轮上贴上自制的带有黑白条纹的码盘，当赛车前进的过程中，传感器检测码盘反射光线，产生类似正弦波形，借助整形电路，将正弦波变成标准的方波。通过S12单片机的Input capture功能模块计算出车速。
单片机处理模块是整个系统开发的重中之重，根据实际的需要，我们主要应用
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第二章 系统设计方案与概要
了单片机MC9S12DG128的A/D模块、PWM功能模块、SCI模块、定时器模块和信号输入捕捉模块。其中采用S12的A/D模块采集来自摄像头的信号，PWM模块产生PWM信号控制前轮舵机转向和电机的转速，定时器模块主要用来产生实时中断，对整个系统的信息进行实时监控处理，SCI模块用于人机交互、信号输入捕捉模块主要用来采集车速信号，对车速进行计算。单片机采用C语言为基本的工具进行开发，对于各个功能模块的底层开发以单片机的说明书为指导进行。赛车系统的硬件结构框图如下：
图2.1 赛车系统的硬件结构框图
2.4 系统软件结构设计
如果说系统硬件对于赛车来说是它的骨架和躯体，那么软件算法就是它的
思想。有了健壮、灵敏的躯体还需要有聪明、智慧的大脑。所以软件系统对于
赛车来说至关重要。首先，赛车系统通过视频采集模块获取前方赛道的图像数
据，同时通过速度测量模块实时获取赛车的速度。然后利用边缘检测算法从图像数据中提取赛道黑线，求得赛车于黑线位置的偏差，接着采用PID方法对舵机进行反馈控制。最终赛车根据检测到的速度，结合我们的速度控制策略，对赛车速度不断进行恰当的控制调整，使赛车在符合比赛规则情况下沿赛道快速前进。赛车系统的软件流程如图所示。
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系统初始化检测到摄像头换行信号？视频采样赛道黑线提取开始转向控制读入实时车速返回YN车速控制
图2.2 赛车系统软件流程
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第三章 机械系统的设计与实现
赛车的机械性能对于其行驶表现具有非常重要的影响，任何控制算法和软件程序都需要通过赛车的机械结构来执行和实现。为使模型车在比赛中发挥出最佳的机械性能，使其直线行驶稳定，入弯转向灵活，结合汽车理论相关知识对赛车的运动特性作出分析，并据此对赛车的底盘结构进行相应的调整和参数优化。
3.1 赛车的整体结构
本次比赛采用了大赛组委会提供的仿真车模，其主要尺寸参数如下：
车长： 316mm
车宽： 172mm
轴距： 204mm
前轮距：142mm
后轮距（可调）：138mm～148mm
模型赛车的底盘结构图如下,
图3.1 赛车底盘结构 9
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如图所示，赛车机械系统可分为两大块：转向机构和驱动装置。转向机构主要由舵机、转向拉杆、梯形臂和前轮组成。这四个部分相互连接，形成一个梯形结构。转向机构的工作原理是：舵机根据接收到的转向控制信号正向或反向旋转，带动转向拉杆横向移动，转向拉杆通过梯形臂牵动前轮使其绕前轮主销发生旋转，从而实现赛车的转向。本次比赛车模采用后轮驱动，驱动装置包括直流电机，减速齿轮，差速器和后轮。后轮转速由直流电机通过减速齿轮来进行调节和控制，差速器主要作用是有效地弥补了左右两个后轮的行程差，使两个后轮都在无滑动状态下过弯。
3.2舵机的安装
舵机是赛车控制中的一个滞后环节，响应速度偏慢，有很大的时间延迟。舵机的响应速度直接影响到赛车过弯时的转向性能：响应速度越快，赛车转弯时就越灵敏，车子在不发生侧滑的情况下所能达到过弯车速就越高。因此，想办法提高舵机的响应速度是提升赛车整个赛段平均车速的一个关键。
实验可知，舵机的响应速度与舵机的工作电压和输出转向传动比密切相关。单从机械方面考虑，增加转向传动比可以提高舵机的响应速度。根据大赛规则，舵机不允许改动，但是舵机的连接件和安装位置可以改变。这就为设法提高舵机输出转向传动比提供了依据。本文对舵机的外围结构和安装位置进行了研究并作出相应的调整。
图3.2 舵机增加输出臂示意图 10
第三章 机械系统的是设计与实现
具体的做法如图所示，我们在舵机原有的输出盘上额外增加了一段输出臂，然后将转向拉杆连接在输出臂的末端。增加输出臂的目的在于增大转向拉杆与舵机连接点到舵机轴心之间的距离，相当于增大力臂。舵机自身硬件特性决定了在给定电压一定时，空载和负载时舵机转动的角速度ω分别保持定值，而线速度V＝ω·R，正比与舵机输出臂的长度R。这样一来，在相同的舵机转速条件下（即ω不变），增加舵机的输出臂的长度R可以使转向拉杆移动的线速度得到提高，前轮转向就越快，反应就越敏捷。显然这样利用舵机的转矩余量可以提高其响应速度，从而提高了整个赛车转向控制的速度。但是实验中发现，舵机采用正装时这样的调整方法受限，原因是舵机输出臂的增加会抬高转向拉杆，这使得舵机作用在转向轮上的力臂减少，当转向轮遇到较大阻力时反而会降低转向的响应速度；因此，我们考虑对舵机的安装位置进行调整。
要改动舵机的安装位置，首先要考虑的是能够实现前轮的正确转向，即前轮转向满足阿克曼原理。阿克曼原理（Ackermann）是指汽车以低速转弯行驶忽略离心力影响和轮胎侧偏影响的情况下，两轴汽车转向轴的理想内、外轮转角关系满足一定的几何关系，如图3.3所示。
图3.3阿克曼原理示意图
此时各车轮绕同一瞬时中心进行转弯行驶，两转向前轮轴线的延长线交于后轴的延长线上，这一几何关系用公式表示为：
0cotcotiL
θ − θ = K
（公式1）
其中K为轮距;L为轴距。从上面的公式中我们不难看出，在赛车转弯时，内轮
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的转角要大于外轮。基于此，在满足阿克曼原理的前提下将舵机进行了反装。如图所示，
图3.4 舵机反装
将舵机整体安装位置加高30mm,舵机输出臂增长至25mm。反装后的舵机在增加舵机输出臂的同时使转向拉杆与舵机输出臂基本保持垂直，这样既提高了舵机的响应速度，又保证了舵机的输出力矩。一举两得。
3.3 前轮定位参数的选择
为保证赛车直线行驶稳定、转向轻便灵活并尽可能的减少轮胎磨损，需要对赛车的前轮定位参数进行调整。赛车的前轮定位参数主要包括：主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前轮前束。这四个参数反映了前轮、主销和前轴三者之间在车架上的位置关系。
主销后倾是指主销在汽车的纵向平面内有一个向后的倾角。它使车辆转弯时产生的离心力所形成的力矩方向与车轮偏转方向相反，从而纠正车轮偏转。因此，主销后倾角越大，车速越高，车轮偏转后自动回正的能力就越强。可以通过增减赛车车架上的黄色垫片对其进行调整。由于比赛选用的舵机性能偏软，过大的主销后倾角易使转向沉重，因此经过调试将垫片按前1后3安装，将后倾角度设为3°比较合适。 12
第三章 机械系统的是设计与实现
图3.5 主销后倾角的调整
主销内倾角是指主销装在前轴略向内倾斜的角度，它也能使前轮自动回正。角度越大前轮自动回正的作用就越强烈，但转向时也越费力，轮胎磨损增大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。主销内倾的回正作用与车速无关，对于赛车的行驶影响不大，为减少车轮磨损降低行驶阻力，未作调整；
车轮滚动时，在车重影响下，车轮会自然内倾，为减少轮胎磨损，将车轮安装时略微外倾，同时设置一定的前束值以约束车轮向外运动的趋势。这就是前轮外倾和前轮前束。因赛车的质量不大，这两个参数也对小车运动性能影响很小，可以不作调整。但在小车直线行驶过程中，发现小车经常会跑偏，经过反复检查，问题出在前轮外倾角和前轮前束值的匹配上。经过反复调整与舵机相连的转向横拉杆左右臂的长度，将前轮前束值保持在0°左右，问题得到了很好的解决。
3.4差速器的调整
赛车在转弯时内外两侧车轮会移动不同的曲线距离，外侧车轮移过的距离大于内侧车轮。差速器的作用就是保证赛车在转弯时内外驱动轮能以不同的转速作纯滚动运动，避免发生车轮拖滑。差速器的性能对于赛车过弯时的表现有着非常重要的影响，因此，对于差速器的调整是赛车机械调整的重要环节。
差速器的作用主要表现在以下两个方面:一是差速,二是限滑。差速作用能使内外车轮可以相对转动，并使两轮转动速度的平均值等于整驱动轴的转动速度；限滑
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作用则可以在两轮相对转动时产生阻力，限制两轮速度差，防止其中一个轮子发生过度打滑和空转。差速器主要分两种：齿轮差速器和滚珠差速器。齿轮差速器利用齿轮之间的相互啮合来实现差速，优点是阻力很小，差速效果好。缺点是体积较大，结构复杂。而滚珠差速器则是利用齿轮上滚珠的滚动使滚珠两边的摩擦片获得相反的速度，从而实现差速。滚珠差速器的优点是结构简单，体积小，适合于车模使用。本次比赛车模采用的差速器就是滚珠差速器。滚珠差速器的差速效果与两边压盘的夹紧力有关，如果压紧力过大，那么滚珠之间的摩擦力就会随着增大，相对滑动困难，影响差速效果。相反的，如果夹紧力过小，加速时齿轮与两边压盘之间会发生打滑现象，影响动力传递。
因此，为保证良好的差速效果，在对差速器进行调整的关键是要调节好压盘和滚珠之间的压紧力。具体的调整方法是：调节后轴螺母，使压盘和滚珠之间松紧适中，捏住减速齿轮使其固定同时转动一侧车轮，检查车轮的转动是否迟滞艰涩；此外，还要观察该侧车轮向前转动的角度是否与另一侧车轮向后转动的角度基本相同；然后将赛车满载放置于赛道上，同样捏住大齿轮然后拉动赛车转弯，观察后轮相对地面滑动的情况；调节后轴螺母，使得后轮与地面基本不发生拖滑为宜。这样赛车在入弯时既能灵活转向，又能避免车轮侧滑。
需要指出的是，采用这种结构的差速器，压盘和滚珠之间的磨损比较严重，时间一长两者之间会产生旷量。所以经常对差速器进行润滑和清理是十分重要的。润滑差速器需要用专门的滚珠差速器油。
图 3.6 珠差油 14
第三章 机械系统的是设计与实现
图3.7 拆卸下来的差速器零件
清理差速器时，先用洁净的纸或布将滚珠周围的油污擦干净。用手指捏住滚珠，轻轻转动，将滚珠坑里的油污挤出来清理掉。然后将差速油均匀的涂在滚珠表面。清理前和清理后的齿盘如图3.8所示。
图3.8 清理前和清理后的齿盘
调整完成以后，启动赛车让其低速慢跑磨合一段时间，进一步的调整差速器，使其保持良好的差速效果。
3.5 齿轮传动机构调整 15
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赛车采用后轮驱动方式，驱动电机通过减速齿轮向赛车输出动力。电机转轴与后轮轴之间的传动比为 9：38（电机轴齿轮齿数为18，后轮轴传动轮齿数为76）。齿轮传动机构对赛车的驱动能力有直接影响。齿轮传动部分安装位置的不恰当，会使电机的驱动效率大大下降，从而影响赛车的动力性能。对齿轮传动机构进行调整的原则是：保持电机齿轮和减速齿轮之间啮合具有合适的间隙。齿轮啮合过松，会影响动力传递，并且容易打坏齿轮；而啮合过紧，又会增加传动阻力，浪费动力。在调整齿轮啮合间隙的时侯可以先慢慢转动后轮，看看在啮合时有没有打齿的现象。然后用电机带动后轮空转，听听两齿轮啮合时的声音，如果声音很大很刺耳，说明齿轮间的间隙过大，啮合效果不理想；而声音发闷或有明显的“嗒、嗒”声，则说明齿轮间的配合间隙过小，或者两齿轮轴不平行，电机负载较大。据此，可以通过调节电机安装螺钉的位置对两齿轮啮合间隙进行调整。调整好的齿轮，应无打齿现象，传动噪音也很小。另外，为使齿轮啮合顺畅、平稳，减少传动阻力，还应该经常对齿轮进行润滑和保养。
3.6 赛车重心的调整
赛车车身的重心高度会影响到赛车的转弯性能和直线行驶稳定性。赛车的重心越高，车体转弯时在离心力的作用下就越容易发生侧倾，严重时会导致赛车发生侧滑甚至侧翻。因此，应尽可能的降低底盘离地间隙，降低赛车重心。车模提供了1mm和2mm两种垫片以及后轮卡圈来调节底盘离地间隙（如图3.9）。经过测试，在底盘离地间隙调整为最低的9mm时，赛车仍能提供足够的接近角和离去角，可以顺利通过15°的坡道。 16
第三章 机械系统的是设计与实现
图3.9 底盘离地间隙的调整
赛车在行驶过程中，重心位置也会对其行驶性能产生重大影响。根据汽车理论，车身重心前移，会增加车轮的转向不足趋势，有利于提高转向稳定性；但是由于前轮负载的增加和后轴负载的减少，前轮转向灵敏度会降低，后轮抓地力也同时减少；而重心后移，会减少转向，但增大了转向灵敏度，后轮驱动力增加；综合上述分析，重心靠近后轴有利于提升小车动力性，重心靠近前轴对小车制动性和操稳性有益。在组装小车的过程中，考虑到小车整体稳中求快的控制策略， 将CCD摄像头、电池、驱动电路的安装位置进行合理的调配，一方面使其结构紧凑，拆装方便；另一方面使小车的重心略微靠近前轴，确保行驶的稳定性。
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第四章 赛车硬件系统的设计与实现
赛车采用集成了MC9SDG128单片机的开发板MC9S12EVKC作为最小系统，并在此基础上搭建各种外围电路组成了智能小车的硬件系统。从结构上看，小车的硬件系统主要包括电源管理模块、视频采集模块、驱动电机模块、转向舵机模块和车速检测模块等。
4.1电源管理模块
电源管理是智能小车设计中的重要环节，它为系统各个模块供电。可靠的电源设计是整个硬件电路稳定运行的基础。
赛车系统的供电电源采用了大赛组委会提供的可充电式Ni-Cd电池。其供电电压为7.2V，容量为1800mA/h，由于智能车系统各个模块所需电压不同，因此需要进行电压调节。
赛车系统中电源分配如下：
单片机系统、视频采集系统和测速电路均需5V电压；驱动电机可以由电池直接供电；对于转向舵机，其工作电压为4.8~6V，试验证明，提高舵机的工作电压可以提高舵机的响应速度。大赛规则不允许采用升压电路为舵机提供电源，但是结合以往比赛经验和实际测试，组委会提供的舵机可以直接工作在7.2 V电压下。于是，通过串联一个二极管直接利用电池电压来驱动舵机。电源管理的结构框图如下：
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第四章 赛车硬件系统的设计与实现