飛思卡爾智能車舵機和測速的控制設(shè)計與實現(xiàn)

1、飛思卡爾智能車舵機和測速的控制設(shè)計與實現(xiàn)時間：2010-04-14 11:53:10來源：電子設(shè)計工程作者：雷貞勇謝光驥五邑大學(xué)摘要：“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽要求車模行駛“穩(wěn)”、“準(zhǔn)”、“快”。 通過優(yōu)化智能車系統(tǒng)中舵機安裝，利用霍爾傳感器控制測速，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)計方案方法簡單，效果明顯、進行穩(wěn) 定。實踐證明該方案時提高車模自適應(yīng)性具有可行性。關(guān)鍵詞：飛思卡爾；智能車；舵機；霍爾傳感器；優(yōu)化“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，是整個車模設(shè)計的關(guān)鍵。為了進一步提高

2、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)，舵機的優(yōu)化及其 控制尤為重要，特別合適舵機轉(zhuǎn)向和速度檢測反饋控制。經(jīng)過不斷改進、調(diào)試和優(yōu)化，該設(shè) 計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、驅(qū)動電機、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)計安裝。圖l為車模系統(tǒng)框圖。用械羸親;|道路檢測裝置舵機PC9S12控制板STS!奠盤測速一 裝置驅(qū)動電機STS!奠盤測速一 裝置驅(qū)動電機后輪圖1車模系

3、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，舵機的靈活轉(zhuǎn)向控制則依賴 于機械系統(tǒng)中各個零部件間協(xié)調(diào)運行。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)計與安裝原則。2舵機舵機是操控車模行駛的方向盤。舵機的輸出轉(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，還可考慮采用舵機進行機械閘制動 以及多個舵機群控等方法。但飛思卡爾智能汽車大賽規(guī)則要求車模中的舵機不能超過3個。 2. 1舵機工作原理舵機在6 V電壓下正常工作，而大賽組委會統(tǒng)一提供的標(biāo)準(zhǔn)電源輸出電壓為7. 2 V， 則需一個外圍電壓轉(zhuǎn)換電路將電

4、源電壓轉(zhuǎn)換為舵機的工作電壓6 V。圖2為舵機供電電路。7 2V0 J2 LM11JZ3C23 lOpFnrVIN VOUTGND1C2110 p F7 2V0 J2 LM11JZ3C23 lOpFnrVIN VOUTGND1C2110 p FIkQR21120() + 廠 22 i 1 v_C24R22 TIOOuFTIOOmFR212. 2kQ必VD47 LED圖2舵機供電電路舵機由舵盤、位置反饋電位計、減速齒輪組、直流動電機和控制電路組成，內(nèi)部位置反 饋減速齒輪組由直流電動機驅(qū)動，其輸出軸帶動一個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

5、，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。從而達到舵機精確控制轉(zhuǎn)向角度的目的。舵機工作原理框 圖如圖3所示。圖3舵機工作原理框圖2. 2舵機的安裝與調(diào)節(jié)舵機的控制脈寬與轉(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，舵機的響應(yīng)速度和舵機的轉(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的紅外光電檢測智能車，舵機的響應(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，因此必須細心調(diào)試，逐一解決。由于舵機從執(zhí)行 轉(zhuǎn)動指令到響應(yīng)輸出需占用一定

6、的時間，因而產(chǎn)生舵機實時控制的滯后。雖然車模在進入彎 道時能夠檢測到黑色路線的偏轉(zhuǎn)方向，但由于舵機的滯后性，使得車模在轉(zhuǎn)彎過程中時常偏 離跑道，且速度越快，偏離越遠，極大限制車模在連續(xù)彎道上行駛的最大時速，使得車模全 程賽道速度很難進一步提高。為了減小舵機響應(yīng)時間，在遵守比賽規(guī)則不允許改造舵機結(jié)構(gòu) 的前提下，利用杠桿原理，采用加長舵機力臂的方案來彌補這一缺陷，加長舵機力臂示意圖 如圖4所示。圖4加長舵機力臂示意圖圖4中，R為舵機力臂；。為舵機轉(zhuǎn)向角度；F為轉(zhuǎn)向所需外力；a為外力同力臂的夾 角。在舵機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，其表達式為：v=Ra)=-=R 卻援(1)

7、加長力臂后欲使前輪轉(zhuǎn)動相同角度時，在舵機角速度3相同的條件下舵機力臂加長后 增大了線速度V，最終使得舵機的轉(zhuǎn)向角度e減小。舵機輸出轉(zhuǎn)角e減小，舵機的響應(yīng)時 間t也會變短。同時由式(1)可推出線速度口增大后，前輪轉(zhuǎn)向所需的時間t相應(yīng)也會變短， 其表達式為：t=ds / dv(2)此外，當(dāng)舵機連桿水平且與舵機力臂垂直時，得到力矩M，可由式(3)表示：M=FRsina (3)說明當(dāng)舵機連桿和舵機力臂垂直時a =900，此時sina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，實現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向的時間最短。在實際調(diào)試車模時發(fā)現(xiàn)，這種方法對提高舵機的響應(yīng)速度也具有局限性：當(dāng)在舵機輸出

8、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，會影響舵機對轉(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，舵機機械結(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，舵機安裝的高度 具有最佳范圍，仍需通過試驗反復(fù)測試。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)練的路線與實際比賽的路線相 差甚遠，若車模自適應(yīng)性調(diào)整不好，車模會在連續(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)彎和下坡時不會因速度過快而沖 出賽道。因此，利用霍爾傳感器檢測車模瞬時速度，實現(xiàn)對車模速度的閉環(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， 在最短的時間內(nèi)由當(dāng)前速度轉(zhuǎn)變?yōu)槠谕乃俣?，使得車?？焖倨椒€(wěn)行駛?；诨魻栃?yīng)，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每個小鋼磁通過時產(chǎn)生一個相應(yīng)的 脈沖，檢測出單位時間的脈沖數(shù)，便可知被測轉(zhuǎn)速?；魻杺鞲袦y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， 確定傳感器測量轉(zhuǎn)速的分辨率也越高，速度控制也越精