第六届飞思卡尔智能车电磁组皖西学院技术报告.docx

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第六届飞思卡尔智能车电磁组皖西学院技术报告

第三届“飞思卡尔”杯全国大学生

智能汽车竞赛

技术报告

学校：

皖西学院

队伍名称：

IC队

参赛队员：

宣国荣

陈锦伟

吴日燊

带队教师：

22222

关于技术报告和研究论文使用授权的说明

本人完全了解第三届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：

参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会和飞思卡尔半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。

参赛队员签名：

带队教师签名：

日期：

第一章引言

本智能小车以飞思卡尔16位微控制MC9S12XS128作为唯一的核心控制单元，采用电感线圈和干簧管获取道路信息，通过设计简单的PID速度控制器和简单的PID方向控制器实时调整小车的速度与转角。

本报告分为七个章节：

第一章为引言介绍；第二章介绍了本智能车的机械设计；第三章具体介绍了智能车传感器选择与布局设计；第四章具体介绍了智能车硬件电路设计；第五章介绍了智能车的软件设计；第六章为智能车开发与调试环境；第七、九章为智能车技术参数说明及总结。

第二章机械结构部分

图2.0智能车整体图

2.1舵机的固定与安装

在舵机的安装过程中，我们发现，将舵机的摆臂增长可以提高舵机的响应速度。

因为舵机的摆臂越长，当车轮转过相同的角度时，舵机转过的角度越小，即时间越短。

买回来的车模舵机是横着安装，我们后来把它竖着安装，增长了摆臂，如图2.1.1所示，而且两条拉杆的长度也在合理的范围内做了相应的调整。

虽然加大力臂会加快舵机的转向，但是力臂的长度和力矩是成反比的，会导致舵机有一个空转的角度，所以要在多次的实验中选择合适的力臂。

如图2.1.2所示：

图2.1.1舵机安装图1图2.1.2舵机安装图2

2.2前轮的调整

调试中发现，前轮的初始状态对车子转弯有很大的影响。

总的来说，决定前轮的初始状态有以下几个参数：

主销内倾、主销后倾、前轮外倾、前轮前束。

主销内倾角指前轮的主销轴线与地面垂直线在汽车横向断面内的夹角。

内倾角可以使车轮保持直线行驶，这个角度和它的轮子回正能力是成反比的，也就是说角度越大，回正能力越强，但是轮子转向阻力增大，由于这个限制，通常这个角度不会大于8度，一般3°左右就够了。

当转向轮在外力作用下发生偏转时，由于主销内倾的原因，车轮连同整个汽车的前部将被抬起一定高度；当外力消失后，车轮就会在重力作用下恢复到原来的中间位置。

为了避免前轮胎的磨损，我们这里将主销内倾角设置为3度左右。

主销后倾角指主销轴线与车体纵向平面的夹角，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，迫使车轮偏转后自动回正到原来的中间位置上，从而保持汽车直线行驶的稳定性。

前面所说的主销内倾角与车速是无关的，但是主销后倾角与车速以及回正力都有关。

这个角度越大，回正力就越大，而且速度越大，回正力也越大。

但是回正力太大也不是好事，可能会损坏舵机齿轮，特别是高速时主销后倾角对回正力的影响很大，可能会损坏舵机齿轮。

通常情况下，我们可以把后倾角减少到接近零度。

由于过大的后倾

角会使转向沉重，加上比赛使用的舵机性能偏软，故为了避免使模型车转弯迟滞，我们这里将主销后倾角设置为0度。

前轮外倾角对汽车的转弯性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。

前轮外倾角俗称“外八字”，如果车轮垂直地面一旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致车轮联接件损坏。

所以事先将车轮校偏一个外八字角度，这个角度约在1°左右。

所谓前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，也指前轮中心线与纵向中心线的夹角。

在日常生活中的汽车修理一般都要校对车轮前束，前轮前束的作用是保证汽车的行驶性能，减少轮胎的磨损。

前轮在滚动时，其惯性力会自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮胎滚动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象会减少，前轮前束可通过转向横拉杆长度来调整。

这里将前束值设置为6mm左右。

2.3差速的调整

在车实际跑的过程中，我们发现，后面两个轮的相对松紧程度，也就是差速对拐弯有很大的影响。

差速太紧，则拐弯容易甩尾，速度快的时候很容易甩出去，但是差速如果太松，虽然会改善转弯性能，但是严重影响了直线上的加减速，而且齿轮的咬合也不是很好，对齿轮会有一定的损坏。

所以，后面两个轮子的相对松紧程度要适中，经过多次的调试，我们得出了比较满意的效果，即将模型车放到跑到上，用手抓住后轮的一只轮子使其不能转动，在赛道上推车子转弯，如果车子能够稍轻松的推动，则此时的差速器为最适合。

当然，实际还需要根据不同的赛道和车的机械性能进行相应的微调。

调节差速可以通过工具旋紧或者旋松右后轮来得到合适的差速控制，其实就是适当的调整两片轴承的压力以满足后轮驱动和差速的要求。

2.4整车重心的调整

刚开始的时候由于速度比较慢，车体的重心对整辆车的影响看不出，但随着模型车速度的提高，模型车的重心对车子的整体性能的影响就显得越来越突出了。

这集中表现为前轮对地摩擦力的影响和车体否能稳定行驶。

垂直高度上的重心影响车的稳定性，重心越低，稳定性越高，当然这要求保证车的底板不会出现触地的现象；水平方向上的重心位置及其重要，它将直接影响了前轮对地的摩擦力，也就是我们想要的前轮抓地能力的强度。

重心靠前，将有利于增加前轮的摩擦力。

实际测试中，稳定性对跑道S弯和急转弯的影响最大；而摩擦力则对跑道急转弯影响最重。

所以为了提高车对整个跑道的综合性能，我们将车的垂直重心尽可能降到最低，而将水平重心的位置调整为靠近前轮。

调整模型车的垂直重心只要给前轮悬架下摆臂与底板之间加上一个2mm的垫片即可；而后轮则通过变换卡圈来调整底盘后半部分的离地间隙。

这样模型车就不会跑飞了。

第三章传感器的选择和布局

3.1传感器的选择

由于赛道是通有20KHz交变电流的导线，因此需要通过检测导线周围所产生的电磁场确定道路与小车的相对位置。

磁场传感器利用了物质与磁场之间的各种物理效应，如磁电效应（电磁感应，霍尔效应，磁致电阻效应），磁机械效应，核磁共振等。

现代检测磁场的传感器有很多，常见的有磁通门磁场传感器，磁阻抗磁场传感器，半导体霍尔传感器、磁敏二极管，磁敏三极管。

因为各种传感器测量磁场所依据的原理不相同，测量的磁场精度和范围相差也很大，10-11～107G。

图3.1为各类磁场传感器的测量范围示意图。

图3.1各类磁场传感器的测量范围示意图

先估算赛道的磁场强度。

把赛道看作无限长直导线，载流为直流100mA，距离导线r=5cm时，由毕奥-萨伐尔定律知，磁场强度B如（公式1）：

（公式1）

一般霍尔元件的检测范围在1mT以上，即10G以上，可以想象到需要贴着地面进行检测，而且精度大大受到限制。

磁阻传感器如Honeywell的高灵敏度磁阻HMC1001，分辨率可达27微高斯，还可以使用多轴的磁阻传感器检测不同方向的磁场。

普通的电感线圈测量范围广，理论上只要加上合适的谐振电容和放大电路，不但能够筛选出特定频段进行放大，而且有较强的抗干扰能力。

我们需要选择适合车模竞赛的检测方法，除了检测磁场的精度之外，还需要对于检测磁场的传感器的频率响应、尺寸、价格、功耗以及实现的难易程度进行考虑。

由于霍尔元件和磁阻传感器的检测精度比较低，价格比较高。

因而我们选取最为传统的电磁感应线圈的，它具有原理简单、价格便宜、体积小、频率响应快、电路实现简单等特点。

感应线圈可以自行绕制，也可以采用市面上的工字电感。

3.2电磁感应线圈在磁场中的特性

为了讨论方便，我们作以下约定：

（1）小车车体坐标系中，定义小车前进的方向为Y轴正向，顺着Y轴的右手边为X轴的正向，Z轴指向小车正上方，如图3.2.1所示；

（2）水平线圈是指轴线平行于Z轴的电感线圈，垂直线圈是指轴线平行于X轴的线圈，轴线平行于Y轴的线圈所感应到的电动势远小于上述两类线圈，但该类摆放线圈在回环路检测中将可以用到。

（3）BX是指向载流导线右手边的电磁感应强度，BZ是指向载流导向正上方的电磁感应强度。

显然，垂直线圈感应的是BX变化率，水平线圈感应的是BZ的变化率。

图3.2.1假定车体坐标系

直道附近的磁场分布，可以近似为无限长的直导线上的磁场分布，容易算得距离长直导线距离为r的点的磁感应强度如（公式2）：

（公式2）

进而可以推出：

（公式3）

（公式4）

其中h是电感线圈距离地面的垂直距离。

为了讨论的方便，记

（公式5）

（公式6）

则从（公式3）、（公式4）、（公式5）、（公式6）可以得出B'X、B'Z分别和BX、BZ有相同的变化趋势。

图3.2.2和图3.2.3显示了当分别取h为5、8、10时B'X和B'Z的变化趋势。

由图可知：