飛思卡爾智能車舵機(jī)和測(cè)速的控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(jì)管理學(xué)院，廣東 江門 529020）

“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽以快速跑完規(guī)定賽道為目標(biāo)。盡可能提高車模速度，跑出好成績(jī)，是整個(gè)車模設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為了進(jìn)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(wú)明顯效果，經(jīng)多次分析發(fā)現(xiàn)，舵機(jī)的優(yōu)化及其控制尤為重要，特別合適舵機(jī)轉(zhuǎn)向和速度檢測(cè)反饋控制。經(jīng)過不斷改進(jìn)、調(diào)試和優(yōu)化，該設(shè)計(jì)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(jī)械零部件和控制軟件組成，主要包括由大賽組委會(huì)統(tǒng)一提供標(biāo)準(zhǔn)的車模底盤、輪胎、舵機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、PC9S12控制板和電源等，另外，系統(tǒng)中的道路檢測(cè)裝置和測(cè)速裝置需自行設(shè)計(jì)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(jī)，智能車除應(yīng)具有可靠的道路檢測(cè)裝置外，舵機(jī)的靈活轉(zhuǎn)向控制則依賴于機(jī)械系統(tǒng)中各個(gè)零部件間協(xié)調(diào)運(yùn)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(jiǎn)捷、底盤低穩(wěn)、轉(zhuǎn)向靈活、協(xié)調(diào)匹配”的設(shè)計(jì)與安裝原則。

2 舵機(jī)

舵機(jī)是操控車模行駛的方向盤。舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角通過連桿傳動(dòng)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(zhǔn)確按賽道路線行駛，此外，還可考慮采用舵機(jī)進(jìn)行機(jī)械閘制動(dòng)以及多個(gè)舵機(jī)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(jī)不能超過3個(gè)[2]。

2.1 舵機(jī)工作原理

舵機(jī)在6 V電壓下正常工作，而大賽組委會(huì)統(tǒng)一提供的標(biāo)準(zhǔn)電源輸出電壓為7.2 V，則需一個(gè)外圍電壓轉(zhuǎn)換電路將電源電壓轉(zhuǎn)換為舵機(jī)的工作電壓6 V。圖2為舵機(jī)供電電路。

圖2 舵機(jī)供電電路

舵機(jī)由舵盤、位置反饋電位計(jì)、減速齒輪組、直流動(dòng)電機(jī)和控制電路組成，內(nèi)部位置反饋減速齒輪組由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其輸出軸帶動(dòng)一個(gè)具有線性比例特性的位置反饋電位器作為位置檢測(cè)。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(shí)，控制電路將反饋信號(hào)與輸入的控制脈沖信號(hào)相比較，產(chǎn)生糾正脈沖，控制并驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)，使減速齒輪組輸出的位置與期望值相符，從而達(dá)到舵機(jī)精確控制轉(zhuǎn)向角度的目的。舵機(jī)工作原理框圖如圖3所示。

圖3 舵機(jī)工作原理框圖

2.2 舵機(jī)的安裝與調(diào)節(jié)

舵機(jī)的控制脈寬與轉(zhuǎn)角在-45°～+45°范圍內(nèi)線性變化。對(duì)于對(duì)速度有一定要求的智能車，舵機(jī)的響應(yīng)速度和舵機(jī)的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)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(duì)于前瞻性不夠遠(yuǎn)的紅外光電檢測(cè)智能車，舵機(jī)的響應(yīng)速度及其轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比將直接影響車模行駛的穩(wěn)定性，因此必須細(xì)心調(diào)試，逐一解決。由于舵機(jī)從執(zhí)行轉(zhuǎn)動(dòng)指令到響應(yīng)輸出需占用一定的時(shí)間，因而產(chǎn)生舵機(jī)實(shí)時(shí)控制的滯后。雖然車模在進(jìn)入彎道時(shí)能夠檢測(cè)到黑色路線的偏轉(zhuǎn)方向，但由于舵機(jī)的滯后性，使得車模在轉(zhuǎn)彎過程中時(shí)常偏離跑道，且速度越快，偏離越遠(yuǎn)，極大限制車模在連續(xù)彎道上行駛的最大時(shí)速，使得車模全程賽道速度很難進(jìn)一步提高。為了減小舵機(jī)響應(yīng)時(shí)間，在遵守比賽規(guī)則不允許改造舵機(jī)結(jié)構(gòu)的前提下，利用杠桿原理，采用加長(zhǎng)舵機(jī)力臂的方案來(lái)彌補(bǔ)這一缺陷[3]，加長(zhǎng)舵機(jī)力臂示意圖如圖4所示。

圖4中，R為舵機(jī)力臂；θ為舵機(jī)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(jī)輸出盤上增加長(zhǎng)方形杠桿，在杠桿的末端固定轉(zhuǎn)向傳動(dòng)連桿，其表達(dá)式為：

圖4 加長(zhǎng)舵機(jī)力臂示意圖

加長(zhǎng)力臂后欲使前輪轉(zhuǎn)動(dòng)相同角度時(shí)，在舵機(jī)角速度ω相同的條件下舵機(jī)力臂加長(zhǎng)后增大了線速度v，最終使得舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角度θ減小。舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角θ減小，舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間t也會(huì)變短。同時(shí)由式（1）可推出線速度v增大后，前輪轉(zhuǎn)向所需的時(shí)間t相應(yīng)也會(huì)變短，其表達(dá)式為：t=ds/dv （2）

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

說(shuō)明當(dāng)舵機(jī)連桿和舵機(jī)力臂垂直時(shí)α=90°，此時(shí)sinα得到最大值。在舵機(jī)力臂R一定和外力F相同條件下，舵機(jī)產(chǎn)生的力矩M最大，實(shí)現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向的時(shí)間最短。

在實(shí)際調(diào)試車模時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種方法對(duì)提高舵機(jī)的響應(yīng)速度也具有局限性：當(dāng)在舵機(jī)輸出力矩相同的條件下，力臂越長(zhǎng)，作用力越小。在轉(zhuǎn)向遇到較大轉(zhuǎn)向阻力時(shí)，會(huì)影響舵機(jī)對(duì)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(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)精度產(chǎn)生的空程差也會(huì)在力臂加長(zhǎng)中放大，使得這一非線性環(huán)節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)的不利影響增大。因此，舵機(jī)安裝的高度具有最佳范圍，仍需通過試驗(yàn)反復(fù)測(cè)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(shí)際比賽的路線相差甚遠(yuǎn)，若車模自適應(yīng)性調(diào)整不好，車模會(huì)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(lái)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(jī)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(shí)不會(huì)因速度過快而沖出賽道。因此，利用霍爾傳感器檢測(cè)車模瞬時(shí)速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)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(gè)小鋼磁通過時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，便可知被測(cè)轉(zhuǎn)速[5]。霍爾傳感測(cè)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(cè)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(cè)速裝置示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

為了參加第四屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽，此設(shè)計(jì)方案在校級(jí)代表隊(duì)資格選拔賽中表現(xiàn)完美，最終跑出19.7 s的好成績(jī)，成功入選。實(shí)踐證明了智能車舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向和霍爾控制測(cè)速優(yōu)化方案具有可行性和實(shí)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(jì)基礎(chǔ)與實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

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

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

[5]彭 軍.傳感器與檢測(cè)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(dá)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.