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

　　“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(biāo)。盡可能提高車模速度，跑出好成績，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統(tǒng)一提供標(biāo)準(zhǔn)的車模底盤、輪胎、舵機(jī)、驅(qū)動電機(jī)、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(jì)安裝。圖l為車模系統(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(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)。

　　2．1 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機(jī)驅(qū)動，其輸出軸帶動一個(gè)具有線性比例特性的位置反饋電位器作為位置檢測。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(jī)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(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。對于對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(yuǎn)的紅外光電檢測智能車，舵機(jī)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(xì)心調(diào)試，逐一解決。由于舵機(jī)從執(zhí)行轉(zhuǎn)動指令到響應(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，采用加長舵機(jī)力臂的方案來彌補(bǔ)這一缺陷，加長舵機(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)輸出盤上增加長方形杠桿，在杠桿的末端固定轉(zhuǎn)向傳動連桿，其表達(dá)式為：

　　加長力臂后欲使前輪轉(zhuǎn)動相同角度時(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，作用力越小。在轉(zhuǎn)向遇到較大轉(zhuǎn)向阻力時(shí)，會影響舵機(jī)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(jī)機(jī)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(jī)安裝的高度具有最佳范圍，仍需通過試驗(yàn)反復(fù)測試。