飛思卡爾智能車(chē)舵機和測速的控制設計與實(shí)現

　　“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車(chē)競賽以快速跑完規定賽道為目標。盡可能提高車(chē)模速度，跑出好成績(jì)，是整個(gè)車(chē)模設計的關(guān)鍵。為了進(jìn)一步提高車(chē)模速度，作者曾在車(chē)模調試階段嘗試算法、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，舵機的優(yōu)化及其控制尤為重要，特別合適舵機轉向和速度檢測反饋控制。經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)、調試和優(yōu)化，該設計方案能夠使智能車(chē)行駛速度和穩定性都得到顯著(zhù)提高。

　　1 車(chē)模系統

　　飛思卡爾智能車(chē)系統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(huì )統一提供標準的車(chē)模底盤(pán)、輪胎、舵機、驅動(dòng)電機、PC9S12控制板和電源等，另外，系統中的道路檢測裝置和測速裝置需自行設計安裝。圖l為車(chē)模系統框圖。

　　要賽出好的成績(jì)，智能車(chē)除應具有可靠的道路檢測裝置外，舵機的靈活轉向控制則依賴(lài)于機械系統中各個(gè)零部件間協(xié)調運行。為提高智能車(chē)的整體協(xié)調性能，一定要把握好“車(chē)身簡(jiǎn)捷、底盤(pán)低穩、轉向靈活、協(xié)調匹配”的設計與安裝原則。

　　2 舵機

　　舵機是操控車(chē)模行駛的方向盤(pán)。舵機的輸出轉角通過(guò)連桿傳動(dòng)控制前輪轉向，其轉角精度直接影響到智能車(chē)模能否準確按賽道路線(xiàn)行駛，此外，還可考慮采用舵機進(jìn)行機械閘制動(dòng)以及多個(gè)舵機群控等方法。但飛思卡爾智能汽車(chē)大賽規則要求車(chē)模中的舵機不能超過(guò)3個(gè)。

　　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(huì )統一提供的標準電源輸出電壓為7．2 V，則需一個(gè)外圍電壓轉換電路將電源電壓轉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(pán)、位置反饋電位計、減速齒輪組、直流動(dòng)電機和控制電路組成，內部位置反饋減速齒輪組由直流電動(dòng)機驅動(dòng)，其輸出軸帶動(dòng)一個(gè)具有線(xiàn)性比例特性的位置反饋電位器作為位置檢測。當電位器轉角線(xiàn)性地轉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，控制并驅動(dòng)直流電機正向或反向轉動(dòng)，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 舵機的安裝與調節

　　舵機的控制脈寬與轉角在-45°～+45°范圍內線(xiàn)性變化。對于對速度有一定要求的智能車(chē)，舵機的響應速度和舵機的轉向傳動(dòng)比直接影響車(chē)模能否以最佳速度順利通過(guò)彎道。車(chē)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(chē)，舵機的響應速度及其轉向傳動(dòng)比將直接影響車(chē)模行駛的穩定性，因此必須細心調試，逐一解決。由于舵機從執行轉動(dòng)指令到響應輸出需占用一定的時(shí)間，因而產(chǎn)生舵機實(shí)時(shí)控制的滯后。雖然車(chē)模在進(jìn)入彎道時(shí)能夠檢測到黑色路線(xiàn)的偏轉方向，但由于舵機的滯后性，使得車(chē)模在轉彎過(guò)程中時(shí)常偏離跑道，且速度越快，偏離越遠，極大限制車(chē)模在連續彎道上行駛的最大時(shí)速，使得車(chē)模全程賽道速度很難進(jìn)一步提高。為了減小舵機響應時(shí)間，在遵守比賽規則不允許改造舵機結構的前提下，利用杠桿原理，采用加長(cháng)舵機力臂的方案來(lái)彌補這一缺陷，加長(cháng)舵機力臂示意圖如圖4所示。

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

　　加長(cháng)力臂后欲使前輪轉動(dòng)相同角度時(shí)，在舵機角速度ω相同的條件下舵機力臂加長(cháng)后增大了線(xiàn)速度v，最終使得舵機的轉向角度θ減小。舵機輸出轉角θ減小，舵機的響應時(shí)間t也會(huì )變短。同時(shí)由式(1)可推出線(xiàn)速度口增大后，前輪轉向所需的時(shí)間t相應也會(huì )變短，其表達式為：t=ds／dv (2)

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

　　說(shuō)明當舵機連桿和舵機力臂垂直時(shí)α=900°，此時(shí)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(shí)現前輪轉向的時(shí)間最短。

在實(shí)際調試車(chē)模時(shí)發(fā)現，這種方法對提高舵機的響應速度也具有局限性：當在舵機輸出力矩相同的條件下，力臂越長(cháng)，作用力越小。在轉向遇到較大轉向阻力時(shí)，會(huì )影響舵機對轉向輪控制的精度，甚至使轉向輪的響應速度變慢；另外，舵機機械結構精度產(chǎn)生的空程差也會(huì )在力臂加長(cháng)中放大。使得這一非線(xiàn)性環(huán)節對控制系統的不利影響增大。因此，舵機安裝的高度具有最佳范圍，仍需通過(guò)試驗反復測試。