雷貞勇，謝光驥

（1.五邑大學(xué) 信息學(xué)院，廣東 江門 529020；2.五邑大學(xué) 經(jīng)濟管理學(xué)院，廣東 江門 529020）

“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽以快速跑完規(guī)定賽道為目標。盡可能提高車模速度，跑出好成績，是整個車模設(shè)計的關(guān)鍵。為了進一步提高車模速度，作者曾在車模調(diào)試階段嘗試算法、程序控制等多種方法都無明顯效果，經(jīng)多次分析發(fā)現(xiàn)，舵機的優(yōu)化及其控制尤為重要，特別合適舵機轉(zhuǎn)向和速度檢測反饋控制。經(jīng)過不斷改進、調(diào)試和優(yōu)化，該設(shè)計方案能夠使智能車行駛速度和穩(wěn)定性都得到顯著提高。

1 車模系統(tǒng)

飛思卡爾智能車系統(tǒng)主要由一系列的機械零部件和控制軟件組成，主要包括由大賽組委會統(tǒng)一提供標準的車模底盤、輪胎、舵機、驅(qū)動電機、PC9S12控制板和電源等，另外，系統(tǒng)中的道路檢測裝置和測速裝置需自行設(shè)計安裝[1]。圖1為車模系統(tǒng)框圖。

圖1 車模系統(tǒng)框圖

要賽出好的成績，智能車除應(yīng)具有可靠的道路檢測裝置外，舵機的靈活轉(zhuǎn)向控制則依賴于機械系統(tǒng)中各個零部件間協(xié)調(diào)運行。為提高智能車的整體協(xié)調(diào)性能，一定要把握好“車身簡捷、底盤低穩(wěn)、轉(zhuǎn)向靈活、協(xié)調(diào)匹配”的設(shè)計與安裝原則。

2 舵機

舵機是操控車模行駛的方向盤。舵機的輸出轉(zhuǎn)角通過連桿傳動控制前輪轉(zhuǎn)向，其轉(zhuǎn)角精度直接影響到智能車模能否準確按賽道路線行駛，此外，還可考慮采用舵機進行機械閘制動以及多個舵機群控等方法。但飛思卡爾智能汽車大賽規(guī)則要求車模中的舵機不能超過3個[2]。

2.1 舵機工作原理

舵機在6 V電壓下正常工作，而大賽組委會統(tǒng)一提供的標準電源輸出電壓為7.2 V，則需一個外圍電壓轉(zhuǎn)換電路將電源電壓轉(zhuǎn)換為舵機的工作電壓6 V。圖2為舵機供電電路。

圖2 舵機供電電路

舵機由舵盤、位置反饋電位計、減速齒輪組、直流動電機和控制電路組成，內(nèi)部位置反饋減速齒輪組由直流電動機驅(qū)動，其輸出軸帶動一個具有線性比例特性的位置反饋電位器作為位置檢測。當(dāng)電位器轉(zhuǎn)角線性地轉(zhuǎn)換為電壓并反饋給控制電路時，控制電路將反饋信號與輸入的控制脈沖信號相比較，產(chǎn)生糾正脈沖，控制并驅(qū)動直流電機正向或反向轉(zhuǎn)動，使減速齒輪組輸出的位置與期望值相符，從而達到舵機精確控制轉(zhuǎn)向角度的目的。舵機工作原理框圖如圖3所示。

圖3 舵機工作原理框圖

2.2 舵機的安裝與調(diào)節(jié)

舵機的控制脈寬與轉(zhuǎn)角在-45°～+45°范圍內(nèi)線性變化。對于對速度有一定要求的智能車，舵機的響應(yīng)速度和舵機的轉(zhuǎn)向傳動比直接影響車模能否以最佳速度順利通過彎道。車模在賽道上高速行駛，特別是對于前瞻性不夠遠的紅外光電檢測智能車，舵機的響應(yīng)速度及其轉(zhuǎn)向傳動比將直接影響車模行駛的穩(wěn)定性，因此必須細心調(diào)試，逐一解決。由于舵機從執(zhí)行轉(zhuǎn)動指令到響應(yīng)輸出需占用一定的時間，因而產(chǎn)生舵機實時控制的滯后。雖然車模在進入彎道時能夠檢測到黑色路線的偏轉(zhuǎn)方向，但由于舵機的滯后性，使得車模在轉(zhuǎn)彎過程中時常偏離跑道，且速度越快，偏離越遠，極大限制車模在連續(xù)彎道上行駛的最大時速，使得車模全程賽道速度很難進一步提高。為了減小舵機響應(yīng)時間，在遵守比賽規(guī)則不允許改造舵機結(jié)構(gòu)的前提下，利用杠桿原理，采用加長舵機力臂的方案來彌補這一缺陷[3]，加長舵機力臂示意圖如圖4所示。

圖4中，R為舵機力臂；θ為舵機轉(zhuǎn)向角度；F為轉(zhuǎn)向所需外力；α為外力同力臂的夾角。在舵機輸出盤上增加長方形杠桿，在杠桿的末端固定轉(zhuǎn)向傳動連桿，其表達式為：

圖4 加長舵機力臂示意圖

加長力臂后欲使前輪轉(zhuǎn)動相同角度時，在舵機角速度ω相同的條件下舵機力臂加長后增大了線速度v，最終使得舵機的轉(zhuǎn)向角度θ減小。舵機輸出轉(zhuǎn)角θ減小，舵機的響應(yīng)時間t也會變短。同時由式（1）可推出線速度v增大后，前輪轉(zhuǎn)向所需的時間t相應(yīng)也會變短，其表達式為：t=ds/dv （2）

此外，當(dāng)舵機連桿水平且與舵機力臂垂直時，得到力矩M，可由式（3）表示[4]：M=FRsinα （3）

說明當(dāng)舵機連桿和舵機力臂垂直時α=90°，此時sinα得到最大值。在舵機力臂R一定和外力F相同條件下，舵機產(chǎn)生的力矩M最大，實現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向的時間最短。

在實際調(diào)試車模時發(fā)現(xiàn)，這種方法對提高舵機的響應(yīng)速度也具有局限性：當(dāng)在舵機輸出力矩相同的條件下，力臂越長，作用力越小。在轉(zhuǎn)向遇到較大轉(zhuǎn)向阻力時，會影響舵機對轉(zhuǎn)向輪控制的精度，甚至使轉(zhuǎn)向輪的響應(yīng)速度變慢；另外，舵機機械結(jié)構(gòu)精度產(chǎn)生的空程差也會在力臂加長中放大，使得這一非線性環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)的不利影響增大。因此，舵機安裝的高度具有最佳范圍，仍需通過試驗反復(fù)測試。

3 霍爾傳感器的應(yīng)用

由于在賽前比賽賽道的幾何圖形是未公開的，賽前車模訓(xùn)練的路線與實際比賽的路線相差甚遠，若車模自適應(yīng)性調(diào)整不好，車模會在連續(xù)彎道處頻繁的偏轉(zhuǎn)，賽道的變更給車模的適應(yīng)性和穩(wěn)定性帶來了一定挑戰(zhàn)。為了使得車模能夠平穩(wěn)地沿著賽道行駛，除控制前輪轉(zhuǎn)向舵機以外，還需要控制好各種路況的車速，使得車模在急轉(zhuǎn)彎和下坡時不會因速度過快而沖出賽道。因此，利用霍爾傳感器檢測車模瞬時速度，實現(xiàn)對車模速度的閉環(huán)反饋控制，小車的PC9S12控制板能夠根據(jù)賽道路況變化而相應(yīng)執(zhí)行軟件給定的加速、減速、剎車等指令，在最短的時間內(nèi)由當(dāng)前速度轉(zhuǎn)變?yōu)槠谕乃俣龋沟密嚹？焖倨椒€(wěn)行駛。

基于霍爾效應(yīng)，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每個小鋼磁通過時產(chǎn)生一個相應(yīng)的脈沖，檢測出單位時間的脈沖數(shù)，便可知被測轉(zhuǎn)速[5]?；魻杺鞲袦y速裝置示意圖如圖5所示。顯然不是安裝小鋼磁越多越好[6]，在一定的條件允許范圍內(nèi)，磁性轉(zhuǎn)盤上小鋼磁的數(shù)目越多，確定傳感器測量轉(zhuǎn)速的分辨率也越高，速度控制也越精確。一般4～8片是最佳范圍。

圖5 霍爾傳感測速裝置示意圖

4 結(jié)束語

為了參加第四屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽，此設(shè)計方案在校級代表隊資格選拔賽中表現(xiàn)完美，最終跑出19.7 s的好成績，成功入選。實踐證明了智能車舵機控制轉(zhuǎn)向和霍爾控制測速優(yōu)化方案具有可行性和實用性。

[1]卓 晴，黃開勝，邵貝貝，等.學(xué)做智能車：挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[2]吳懷宇，程 磊，章 政.大學(xué)生智能汽車設(shè)計基礎(chǔ)與實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3]王三民，諸文俊.機械原理與設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[4]張三慧.大學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué)：上冊[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[5]彭 軍.傳感器與檢測技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版，2003.

[6]薛小龍，王孝明.雙速度環(huán)在雙馬達直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，4（8）：17-18.