飞思卡尔智能车的论文

【专家解说】：飞思卡尔智能车舵机和测速的控制设计与实现 摘要:“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛要求车模行驶“稳”、“准”、“快”。通过优化智能车系统中舵机安装，利 用霍尔传感器控制测速，车模在不同赛道都能够适应新赛道，确保了智能车行驶的快速性和可靠性。该车模设计方 案方法简单，效果明显、进行稳定。实践证明该方案对提高车模自适应性具有可行性。 关键词:飞思卡尔；智能车；舵机；霍尔传感器；优化 “飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛以快速跑完规 定赛道为目标。尽可能提高车模速度，跑出好成绩，是整个车 模设计的关键。为了进一步提高车模速度，作者曾在车模调 试阶段尝试算法、程序控制等多种方法都无明显效果，经多 次分析发现，舵机的优化及其控制尤为重要，特别合适舵机 转向和速度检测反馈控制。经过不断改进、调试和优化，该设 计方案能够使智能车行驶速度和稳定性都得到显著提高。 1车模系统 飞思卡尔智能车系统主要由一系列的机械零部件和控 制软件组成，主要包括由大赛组委会统一提供标准的车模底 盘、轮胎、舵机、驱动电机、PC9S12控制板和电源等，另外，系 统中的道路检测装置和测速装置需自行设计安装[1]。图1为 车模系统框图。 要赛出好的成绩，智能车除应具有可靠的道路检测装置 外，舵机的灵活转向控制则依赖于机械系统中各个零部件间 协调运行。为提高智能车的整体协调性能，一定要把握好“车身简捷、底盘低稳、转向灵活、协调匹配”的设计与安装原则。 2舵机 舵机是操控车模行驶的方向盘。舵机的输出转角通过连 杆传动控制前轮转向，其转角精度直接影响到智能车模能否 准确按赛道路线行驶，此外，还可考虑采用舵机进行机械闸 制动以及多个舵机群控等方法。但飞思卡尔智能汽车大赛规 则要求车模中的舵机不能超过3个[2]。 2.1舵机工作原理 舵机在6 V电压下正常工作，而大赛组委会统一提供的 标准电源输出电压为7.2 V，则需一个外围电压转换电路将 电源电压转换为舵机的工作电压6 V。图2为舵机供电电路。 舵机由舵盘、位置反馈电位计、减速齿轮组、直流动电机 和控制电路组成，内部位置反馈减速齿轮组由直流电动机驱 动，其输出轴带动一个具有线性比例特性的位置反馈电位器 作为位置检测。当电位器转角线性地转换为电压并反馈给控 制电路时，控制电路将反馈信号与输入的控制脉冲信号相比较，产生纠正脉冲，控制并驱动直流电机正向或反向转动，使 减速齿轮组输出的位置与期望值相符，从而达到舵机精确控 制转向角度的目的。舵机工作原理框图如图3所示。 2.2舵机的安装与调节 舵机的控制脉宽与转角在－45°～+45°范围内线性变化。 对于对速度有一定要求的智能车，舵机的响应速度和舵机的 转向传动比直接影响车模能否以最佳速度顺利通过弯道。车 模在赛道上高速行驶，特别是对于前瞻性不够远的红外光电 检测智能车，舵机的响应速度及其转向传动比将直接影响车 模行驶的稳定性，因此必须细心调试，逐一解决。由于舵机从 执行转动指令到响应输出需占用一定的时间，因而产生舵机 实时控制的滞后。虽然车模在进入弯道时能够检测到黑色路 线的偏转方向，但由于舵机的滞后性，使得车模在转弯过程 中时常偏离跑道，且速度越快，偏离越远，极大限制车模在连 续弯道上行驶的最大时速，使得车模全程赛道速度很难进一 步提高。为了减小舵机 响应时间，在遵守比赛 规则不允许改造舵机结 构的前提下，利用杠杆 原理，采用加长舵机力 臂的方案来弥补这一缺 陷[3]，加长舵机力臂示意 图如图4所示。 图4中，R为舵机力 臂；θ为舵机转向角度；F为转向所需外力；α为外力同力臂的 夹角。在舵机输出盘上增加长方形杠杆，在杠杆的末端固定 转向传动连杆，其表达式为： 机机械结构精度产生的空程差也会在力臂加长中放大，使得 这一非线性环节对控制系统的不利影响增大。因此，舵机安 装的高度具有最佳范围，仍需通过试验反复测试。 3霍尔传感器的应用 由于在赛前比赛赛道的几何图形是未公开的，赛前车模 训练的路线与实际比赛的路线相差甚远，若车模自适应性调 整不好，车模会在连续弯道处频繁的偏转，赛道的变更给车 模的适应性和稳定性带来了一定挑战。为了使得车模能够平 稳地沿着赛道行驶，除控制前轮转向舵机以外，还需要控制 好各种路况的车速，使得车模在急转弯和下坡时不会因速度 过快而冲出赛道。因此，利用霍尔传感器检测车模瞬时速度， 实现对车模速度的闭环反馈控制，小车的PC9S12控制板能 够根据赛道路况变化而相应执行软件给定的加速、减速、刹 车等指令，在最短的时间内由当前速度转变为期望的速度， 使得车模快速平稳行驶。 基于霍尔效应，固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每 个小钢磁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉 冲数，便可知被测转速[5]。霍尔传感测速装置示意图如图5所 示。显然不是安装小钢磁越多越好[6]，在一定的条件允许范围 内，磁性转盘上小 钢磁的数目越多， 确定传感器测量 转速的分辨率也 越高，速度控制也 越精确。一般4~8 片是最佳范围。 4结束语 为了参加第四届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞 赛，此设计方案在校级代表队资格选拔赛中表现完美，最终 跑出19.7 s的好成绩，成功入选。实践证明了智能车舵机控 制转向和霍尔控制测速优化方案具有可行性和实用性。 参考文献: [1]卓晴，黄开胜，邵贝贝，等.学做智能车：挑战“飞思卡尔” 杯[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007. [2]吴怀宇，程磊，章政.大学生智能汽车设计基础与实践[M]. 北京：电子工业出版社，2008. [3]王三民，诸文俊.机械原理与设计[M].北京：机械工业出版 社，2000. [4]张三慧.大学基础物理学：上册[M].北京：清华大学出版社， 2003. [5]彭军.传感器与检测技术[M].西安：西安电子科技大学出 版，2003.