飛思卡爾智能車的論文

【專家解說】：飛思卡爾智能車舵機和測速的控制設計與實現(xiàn) 摘要:“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽要求車模行駛“穩(wěn)”、“準”、“快”。通過優(yōu)化智能車系統(tǒng)中舵機安裝，利 用霍爾傳感器控制測速，車模在不同賽道都能夠適應新賽道，確保了智能車行駛的快速性和可靠性。該車模設計方 案方法簡單，效果明顯、進行穩(wěn)定。實踐證明該方案對提高車模自適應性具有可行性。 關鍵詞:飛思卡爾；智能車；舵機；霍爾傳感器；優(yōu)化 “飛思卡爾”杯全國大學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 模設計的關鍵。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 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計安裝[1]。圖1為 車模系統(tǒng)框圖。 要賽出好的成績，智能車除應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。 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。 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： 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，仍需通過試驗反復測試。 3霍爾傳感器的應用 由于在賽前比賽賽道的幾何圖形是未公開的，賽前車模 訓練的路線與實際比賽的路線相差甚遠，若車模自適應性調(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)由當前速度轉(zhuǎn)變?yōu)槠谕乃俣龋?使得車?？焖倨椒€(wěn)行駛。 基于霍爾效應，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。 4結(jié)束語 為了參加第四屆“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競 賽，此設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。 參考文獻: [1]卓晴，黃開勝，邵貝貝，等.學做智能車：挑戰(zhàn)“飛思卡爾” 杯[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007. [2]吳懷宇，程磊，章政.大學生智能汽車設計基礎與實踐[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008. [3]王三民，諸文俊.機械原理與設計[M].北京：機械工業(yè)出版 社，2000. [4]張三慧.大學基礎物理學：上冊[M].北京：清華大學出版社， 2003. [5]彭軍.傳感器與檢測技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學出 版，2003.