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1、智能车东秦光电组设计方案整体结构：智能汽车系统采用飞思卡尔的32位微控制器K60单片机作为核心控制单元用于智能汽车系统的控制。在选定智能汽车系统采用光电传感器方案后，赛车的位置信号由车体前方的光电传感器采集，经K60的I/O口接收后，用于赛车的运动控制决策，同时内部ECT模块发出PWM波，驱动直流电机对智能汽车进行加速和减速控制，以及伺服舵机对赛车进行转向控制，使赛车在赛道上能够自主巡线行驶，并以最短的时间最快的速度跑完全程。为了对赛车的速度进行精确的控制，在智能汽车电机输出轴上安装光电编码器，采集编码器转动时的脉冲信号，经MCU捕获后定时进行PID自动控制，完成智能汽车速度的闭环控制。此外，
2、还增加了键盘作为输入输出设备，用于智能汽车的速度和控制策略选择。根据以上系统方案设计，赛车共包括六大模块：K60主控模块、传感器模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块和辅助调试模块。各模块的作用如下：（1） K60主控模块:核心控制模块，将采集光电传感器、光电编码器等传感器的信号，根据控制算法做出控制决策，驱动直流电机和伺服电机完成对智能汽车的控制。（2） 传感器模块：是智能汽车的“眼睛”，可以通过一定的前瞻性，提前感知前方的赛道信息，为智能汽车的“大脑”做出决策提供必要的依据和充足的反应时间。（3） 电源模块：为整个系统提供合适而又稳定的电源。（4） 电机驱动模块：驱动直流电机和伺服电机
3、完成智能汽车的加减速控制和转向控制。（5） 速度检测模块，检测反馈智能汽车轮的转速，用于速度的闭环控制。（6）辅助调试模块：主要用于智能汽车系统的功能调试、赛车状态监控。小车机械结构：在智能车的竞赛过程中，最主要的比赛内容是速度，而模型车机械结构无疑是影响速度的关键因素之一。智能车选用北京科宇通博科技有限公司生产的智能车竞赛专用模型车(B型模型车)，配套的电机为540电机，伺服器为S-D5。智能车的控制采用的是前轮转向，后轮驱动方案。基本参数：尺寸轴距200mm前轮距138mm后轮距140mm车轮直径61mm主减传动比36/1051、智能车总体重心的调整 ：由于给定车模车身本身就很重，在选择支
4、架的时候选择了铝合金支架，自己设计、加工支架，开始支柱选择的是铜柱，其机械性能好，固定牢靠，但是安装完成时发现铜柱太重，致使车的重心前倾，严重影响车的转向，多方考虑，最终采用航空材料，铝合金柱，它质量轻，拥有和铜柱一样的机械性能。从何从以下三个角度考虑重心问题：一、车底盘高度调整：合理的底盘刚度和底盘高度调节会提高智能车的加速性能。智能车的重心应该越低越好，降低地盘时实现重心下降的较为直接的方式。应注意到底盘高度的调节是将智能车的其他性能提高以后间接的帮助加速性能提高。但是由于赛道中坡道的限制，底盘的高度在低于5mm时将会冲撞坡道，并不使地盘受到不必要的磨损和震荡，剧烈的冲击甚至会撞坏转向机构
5、。因此地盘距离地面高度不能低于5mm。降低底盘的方式可以通过在前桥、后桥处增加垫片来实现。二、车体构件高度调整：在智能车改装过程中，我们一直把重心作为考虑因素之一。使重量的分布尽量靠近底盘。此外更小体积的电路板可以恰好镶嵌在底盘其他构件的空隙之中。 三、紧固螺丝：在智能车对于紧固程度要求不高的地方，如电路板固定螺丝，传感器定位螺丝等，采用尼龙材质的螺丝；在车底盘等高度较低的地方采用模型车原配螺丝在安装外设的时候，尽量采用规格合适的螺丝钉。可以降低整车重量。2、智能汽车前轮定位的调整：模型车通过四条轮胎与地面接触，两个后轮同轴受到限位，无法调整，与模型车的前进方向保持平行，因此要改变模型车与地面
6、的接触方式，调试出利于模型车转向、直线的四轮定位，只能通过调整前轮各定位参数来实现。B型模型车可以调整的前轮参数有主销后倾角、主销内倾角、车轮前束，三个参数可以调整。（1）主销后倾角：主销后倾角是指在纵向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角。主销后倾角的存在使车轮转向轴线与赛道的交点在轮胎接地点的前方，可利用赛道对轮胎的阻力产生绕主销轴线的回正力矩，该力矩的方向正好与车轮偏转方向相反，使模型车保持直线行驶。后倾角越大，模型车的直线行驶性越好，转向后方向盘的回复性也越好，但过大的回正力矩也会使车辆转向沉重。通常主销后倾角值设在 13度。B型模型车的主销后倾角无法通过直接调整前桥结构实现改变，采用
7、在前桥处增加垫片，可以适当的增加主销内倾角，有利于保持直线行驶、转向后回正。（2）、主销内倾角：主销内倾角指在横向平面内主销轴线与地面垂直线夹角主销内倾角的作用，是使车轮在受外力偏离直线行驶时，前轮会在重力作用下自动回正。另外，主销内倾角还可减少前轮传至转向机构上的冲击，并使转向轻便；但内倾角越大，前轮自动回正的作用就越强，转向时越费力，轮胎磨损也更大增大。主销内倾的调整应该保持在一个合适的范围，一般来说 08 度范围内皆可。在实际的调整中，只要将角度调整为 5 度左右就会对于过弯性能有明显的改善。如果赛道比较滑，可以将这个角度再调节的大一些。在实际制作中，这个角度调节为 8 度左右。对于模型
8、车，通过调整前桥的螺杆的长度可以改变主销内倾角的大小，由于过大的内倾角也会增大转向阻力，增加轮胎磨损，在调整时可近似调整为 03左右，不宜太大。主销内倾和主销后倾都有使汽车转向自动回正，保持直线行驶的功能。不同之处是主销内倾的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速时主销后倾的回正作用大，低速时主销内倾的回正作用大。（3）前 轮 约 束：所谓前束是指两轮之间的后距离数值与前距离数值之差，前轮中心线与纵向中心线的夹角为前束角。前轮前束的作用是保证模型车的行驶性能，减少轮胎的磨损。前轮在滚动时，其惯性力自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮胎滚动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象会
9、减少。前束的调整总是依据主销内倾的调整。只有主销内倾确定后才能确定合适的前轮前束与之配合。前轮前束的调整是方便的。主销内倾的调整由于要拧开螺丝钉，固定件又为塑料，所以频繁的调整容易引发滑丝现象。而前束不会，所以调整前束是最安全、方便的。前束在摩擦大的时候有明显的效果。但是一定不要太大，适当的放开一两圈就够了。在模型车中，前轮前束是通过调整伺服电机带动的左右横拉杆实现的。主销在垂直方向的位置确定后，改变左右横拉杆的长度即可以改变前轮前束的大小。在实际的调整过程中，我们发现较小的前束，约束 02mm 可以减小转向阻力，使模型车转向更为轻便，但实际效果不是十分明显。调节合适的前轮前束在转向时有利过弯
10、，还能提高减速性。将前轮前束调节成明显的内八字，运动阻力加大，提高减速性能。由于阻力比不调节前束时增大，所以直线加速会变慢。 智能汽车采用稳定速度策略或者采用在直道高速弯道慢速的策略时，应该调节不同的前束。后一种策略可以适当加大前束。（4）前轮外倾角： 前轮外倾角是汽车横向平面与车轮平面的交界处与地面垂线之间的夹角。其作用是提高了前轮转向的安全性和转向操作的轻便性，前轮外倾俗称“外八字”，当前轮与地面垂直而汽车满载时，就会引起车轮上部向内倾斜，因而造成所连机械器件损坏，所以提前给一个适当的外倾可以减小这种损失。如果小车自身重量不是很大的时候，可以不必对前轮外倾角作调整。3、智能汽车部分结构安装
11、及改造（1）智能汽车差速机构调整：差速作用就是在电机向两边半轴传递动力的同时，允许两边半轴以不同的转速旋转，满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶，减少轮胎与地面的摩擦。差速机构如图2-10所示。模型车在过弯时车轮的轨线是圆弧，如果向左转弯，在相同的时间里，右侧轮子走的弧线比左侧轮子长，为了平衡这个差异，就要左边轮子慢一点，右边轮子快一点，用不同的转速来弥补距离的差异。我们希望是模型车在加减速的时候，后轮没有差速，而在过大弯道时有很大的差速。这样，即加速快又过弯灵活。但是，实际的差速机构不可能达到这效果，我们调节差速只是平衡两项，在转弯较灵活地方情况下尽量不影响加速性能。B型模型车采用双
12、滚珠差速，首先将左后轮的防松螺母拧紧，通过调整后轴上的防松螺母压紧小差速盘；通过调整右后轮防松螺母的松紧，实现对大差速齿轮盘松紧的调节。调节后的效果应为：开动电机后，握住一侧轮，另一侧可正常转动；握住两侧轮，差速尺寸无法转动。（2）、智能汽车差速机构调整：差速作用就是在电机向两边半轴传递动力的同时，允许两边半轴以不同的转速旋转，满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶，减少轮胎与地面的摩擦。差速机构如图2-10所示。模型车在过弯时车轮的轨线是圆弧，如果向左转弯，在相同的时间里，右侧轮子走的弧线比左侧轮子长，为了平衡这个差异，就要左边轮子慢一点，右边轮子快一点，用不同的转速来弥补距离的差异。
13、我们希望是模型车在加减速的时候，后轮没有差速，而在过大弯道时有很大的差速。这样，即加速快又过弯灵活。但是，实际的差速机构不可能达到这效果，我们调节差速只是平衡两项，在转弯较灵活地方情况下尽量不影响加速性能。B型模型车采用双滚珠差速，首先将左后轮的防松螺母拧紧，通过调整后轴上的防松螺母压紧小差速盘；通过调整右后轮防松螺母的松紧，实现对大差速齿轮盘松紧的调节。调节后的效果应为：开动电机后，握住一侧轮，另一侧可正常转动；握住两侧轮，差速尺寸无法转动。（3）、智能车后轮减速齿轮机构调整：模型车后轮采用540电机驱动，电机轴与后轮轴之间的传动比为 36：105（电机轴齿轮齿数为36，后轴传动齿数为105
14、）。齿轮传动机构对模型车的驱动能力有很大的影响。齿轮传动部分安装位置的不恰当，会大大增加电机驱动后轮的负载，会严重影响模型车的速度性能。调整的原则是：两传动齿轮轴保持平行, 齿轮间的配合间隙要合适，过松容易打坏齿轮，过紧又会增加传动阻力，浪费动力；传动部分要轻松、顺畅，不能有迟滞或周期性振动的现象。判断齿轮传动是否良好的依据是，听一下电机带动后轮空转时的声音。声音刺耳响亮，说明齿轮间的配合间隙过大，传动中有撞齿现象；声音闷而且有迟滞，则说明齿轮间的配合间隙过小，或者两齿轮轴不平行，电机负载变大。调整好的齿轮传动噪音很小，并且不会有碰撞类的杂音，后轮减速齿轮机构就基本上调整好了，动力传递十分流畅
15、。软件部分：在设计整个软件架构和算法之前一定要对整个模型车的机械结构有一个全面清晰的认识，然后建立相应的数学模型，从而再针对具体的设计方案来调整赛车的机械结构，并在实际的调试过程中不断的改进优化和提高结构的稳定性。软件的主要功能包括： 车模运行状态检测； 电机PWM输出； 车模运行控制：速度控制、方向控制； 车模运行流程控制：程序初始化、车模启动与结束； 系统界面：状态显示、上位机监控、参数设定等。主程序流程图：1、 智能车强制转弯的实现：人字形路口的强制转弯理论上可以通过两种渠道实现：一是赛车在检测到斑马线的时候强制小车转弯，这种方法可以不必先使小车停止，节约时间，但是转弯的难度系数较大，如
16、果控制不好，容易使小车冲出赛道外；个人更偏向于第二种使小车双向运行的反感，这种方法让小车在检测到斑马线后停车，然后控制电机使小车反向运行。这样设计的话，必须先使小车停止才能反向。使小车制动的过程可能会占用一定的时间。检测到斑马线之后小车开始制动直到最终停止，这个过程还有一个问题就是小车倒行至道路交汇点的时候，要进行一次识别，不能沿原路返回。为了节约这样一个识别的时间，个人认为，可以通过在软件上稍作改动，利用小车检测到斑马线开始制动的这个过程的同时控制舵机让小车的前轮产生一个小的偏角，假设小车从左边赛道驶入，则控制小车的前轮向左偏转一个小的角度，使其倒行时可以很快的检测到右边的赛道，并以最短的时间实现加速。
