上海海洋大学spark队智能汽车竞赛技术报告Word文件下载.docx

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PWM

目录-3-

第一章方案设计-5-

1.1系统总体方案的选定-5-

1.2系统总体方案的设计-6-

第二章智能车机械结构设计-7-

2.1车体机械建模-7-

2.2前轮倾角的调整-8-

2.3齿轮传动机构调整-11-

2.4后轮差速机构调整-12-

2.5舵机的安装与调试-12-

2.6光电编码器的选型与安装-14-

2.7其他机械模块调整-16-

第三章电路设计说明-18-

3.1主控板的设计-18-

3.1.1电源管理模块-18-

3.1.2电机驱动模块-19-

3.2智能车传感器模块设计-22-

3.2.1光电传感器的原理-22-

3.2.2光电传感器的设计-22-

3.2.3倾角及高度对光电信号采集的影响-24-

第四章智能车控制软件设计说明-26-

4.1主程序流程图-26-

4.2路况采集和数据处理-27-

4.3舵机控制-28-

4.4电机控制算法-29-

4.5.1比例控制-29-

4.5.2积分控制-30-

4.5.3微分控制-30-

4.5.4控制效果-30-

第五章开发工具-31-

第六章模型车的主要技术参数说明-32-

结论-33-

参考文献-33-

第一章方案设计

智能车系统以MC9S12XS128为核心，实现稳定、沿线和快速行驶。

为了使智能车能够在满足要求的前提下快速行驶，单片机必须把路径的迅速判断、相应的转向伺服电机控制以及直流驱动电机的控制精密地结合在一起。

本章主要简要地介绍智能车系统总体方案的选定和总体设计思路，在后面的章节中将整个系统分为机械结构、控制模块、控制算法等三部分对智能车控制系统进行深入的介绍分析。

1.1系统总体方案的选定

光电传感器寻迹方案的优点是电路简单、信号处理速度快，但是其前瞻距离有限，加之精简的程序控制和较快的信息处理速度，光电传感器还是可以极好的控制效果的。

这是出自清华大学的方案，主要思想就是通过加大发光管上的电流来提高传感器探测距离，但是传感器长时间通大电流会造成器件损坏，所以就使用脉冲发射的方式进行，如此一来就可以有效地增加探测距离。

不过这样做会造成一定的干扰性，虽然通过滤波或者其他技术可以解决，但对于模拟电路调试方面就有比较高的要求了。

如图1.1是前瞻传感器图片：

图1.1脉冲大电流前瞻方案

这样，理论上就解决了光电传感器前瞻距离的问题，可以说只要电路参数调得好，达到40cm甚至50cm的前瞻距离都是有可能的。

但是，前瞻距离并不是越远越好，至少对以一字排列传感器而言存在一个最佳前瞻距离的问题。

所以，脉冲大电流前瞻方案是智能车模未来的发展趋势。

它使模型车对路径的判别更具有前瞻性，获取路径信息更丰富，可以扩展更多的控制策略。

1.2系统总体方案的设计

智能车系统由电源模块、红外传感器模块、直流电机驱动模块、路径识别模块、通讯及调试模块、单片机模块等组成。

其中，转向伺服电机由单片机直接驱动，为了调试的方便，我们运用嵌入式单片机开发调试接口模块BDM、Codewarrior，几个主要的参数可以方便地显示和在线调整。

系统结构简图如图1.2所示。

图1.2系统结构简图

本章重点分析了智能车系统总体方案的选择，并介绍了系统的总体设计。

在下面的章节中，将对整个系统机械结构、控制模块和控制算法等三个方面的实现进行详细介绍。

第二章智能车机械结构设计

车模的机械部分是影响其行驶性能最直接的部分，其重要性不言而喻。

一个不良的机械系统会增加控制的难度，会为车模的速度提升带来障碍。

因此，车模的机械性能应该是优先考虑的问题。

2.1车体机械建模

此次比赛选用的赛车车模采用1/10的仿真车模。

赛车机械结构只使用竞赛提供车模的底盘部分及转向和驱动部分。

控制采用前轮转向，后轮驱动方案。

具体车模数据如表2.1：

表2.1车模基本尺寸参数

基本参数

尺寸

轴距

197mm

前轮距

124mm

后轮距

136mm

车轮直径

50mm

车长

316mm

车宽

172mm

传动比

18/76

如图2.1所示：

其中虚线部分为轮胎，A点为右轮的转动轴点，对应左侧相应位置的那个点为左轮的转动轴点。

图2.1车模尺寸示意图

2.2前轮倾角的调整

调试中发现，在车模过弯时，转向舵机的负载会因为车轮转向角度增大而增大。

为了尽可能降低转向舵机负载，对前轮的安装角度，即前轮定位进行了调整。

前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，转向轻便和减少轮胎的磨损。

前轮是转向轮，它的安装位置由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束等4个项目决定，反映了转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位置关系。

主销内倾是指主销装在前轴略向内倾斜的角度，它的作用是使前轮自动回正。

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。

图2.2主销后倾纠正车轮偏转原理图

如图2.2所示，主销后倾是指主销装在前轴，上端略向后倾斜的角度。

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恢复到原来的中间位置上。

由此，主销后倾角越大，车速越高，前轮稳定性也愈好。

主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正，保持直线行驶的功能。

不同之处是主销内倾的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速时后倾的回正作用大，低速时内倾的回正作用大。

图2.3前轮外倾角示意图

如图2.3所示，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。

通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角α，称为“前轮外倾角”。

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。

模型车提供了序号为EX-19的配件来调节前轮外倾角：

当所采用的配件上无数字4时前轮外倾角为0°

，当所采用的配件上有数字4时前轮外倾角约为1°

。

由于本模型车主要用于竞速，在设计中必然要尽可能减轻重量，所以其底盘承重不大，且前轮外倾角只有两档可调，故设定为0°

即可，关键是前轮前束要与之相匹配。

图2.4前轮约束示意图

如图2.4所示，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。

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。

当车轮有了外倾角后，在滚动时就类似于圆锥滚动，从而导致两侧车轮向外滚开。

由于转向横拉杆和车桥的约束使车轮不可能向外滚开，车轮将在地面上出现边滚边向内滑移的现象，从而增加了轮胎的磨损。

在安装车轮时，为消除车轮外倾带来的这种不良后果，可以使汽车两前轮的中心面不平行，并使两轮前边缘距离R小于后边缘距离A，A－R之差称为“前轮前束”。

一般前束值为0到12mm。

像内八字样前端小后端大的称为“前束”，而像外八字一样后端小前端大的称为“后束”或“负前束”。

模型车是由舵机带动左右横拉杆实现转向的。

主销在垂直方向的位置确定后，改变左右横拉杆的长度即可改变前束的大小。

左杆长，可调范围为29.2到37.6mm；

右杆短，可调范围为10.8到18.1mm。

由上述原理可知，前轮前束须与前轮外倾角相匹配，如前轮外倾角设定为0°

，则前轮前束即须为0mm或只有一很小的前轮前束值。

故本设计采用的前束值为0mm。

2.3齿轮传动机构调整

车模后轮采用RS-380SH-4045电机驱动，由竞赛主办方提供。

电机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）。

齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。

齿轮传动部分安装位置的不恰当，会大大增加电机驱动后轮的负载，从而影响到最终成绩。

调整的原则是：

两传动齿轮轴保持平行,齿轮间的配合间隙要合适，过松容易打坏齿轮，过紧又会增加传动阻力，白白浪费动力；

传动部分要轻松、顺畅，容易转动，不能有卡住或迟滞现象。

判断齿轮传动是否调整好的一个依据是,听一下电机带动后轮空转时的声音。

声音刺耳响亮，说明齿轮间的配合间隙过大，传动中有撞齿现象；

声音闷而且有迟滞，则说明齿轮间的配合间隙过小，或者两齿轮轴不平行，电机负载加大。

调整好的齿轮传动噪音小，并且不会有碰撞类的杂音。

如图2.5所示，是经过调整过的齿轮传动机构。

图2.5后轮齿轮传动机构实物图

2.4后轮差速机构调整

如图2.5中，黑色齿轮的中间部分就是内置式差