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)

摘要：“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能汽車競(jìng)賽要求車模行駛“穩(wěn)”、“準(zhǔn)”、“快”。通過(guò)優(yōu)化智能車系統(tǒng)中舵機(jī)安裝，利用霍爾傳感器控制測(cè)速，車模在不同賽道都能夠適應(yīng)新賽道，確保了智能車行駛的快速性和可靠性。該車模設(shè)計(jì)方案方法簡(jiǎn)單，效果明顯、進(jìn)行穩(wěn)定。實(shí)踐證明該方案時(shí)提高車模自適應(yīng)性具有可行性。
關(guān)鍵詞：飛思卡爾；智能車；舵機(jī)；霍爾傳感器；優(yōu)化

    “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(guò)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。圖l為車模系統(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(guò)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(guò)3個(gè)。
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。

    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。

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(guò)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(guò)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，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：
   
    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)可推出線速度口增大后，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：M=FRsinα           (3)
    說(shuō)明當(dāng)舵機(jī)連桿和舵機(jī)力臂垂直時(shí)α=900°，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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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?；魻杺鞲袦y(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，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。

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。