智能车系统设计方案

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1、智能车系统设计方案智能车作为一个整体系统，包括机械、电路硬件、软件三个主要部分，三部分互相联系，相互影响。智能车系统框图见图2.1。主要输入电磁传感器 干簧管 摄像头测速传感器单片机K60机械部分主要输出舵机控制电机驱动四轮悬挂传动底盘其他输入键盘串口输入其他输出显示串口输出外部存储图2.1 智能车系统框图对这三个部分统筹设计是贯穿始终的原则，机械部分设计将决定智能车能力的最终极限，硬件电路将为智能车提供实现机械潜能所必需的能源、检测手段及控制能力，软件设计针对输入进行处理最终实现对智能车机械和电路的控制。2.1 智能车机械结构整体设计方案我们对机械设计部分总体的设计原则定位在：结构紧凑、连接

2、稳固、减轻重量、合理调整重心四个方面。另外根据经典的机械原理，对智能车的传动结构、轮胎、车轮等进行规则允许范围内的调校。具体内容主要有电路板安装排布、支架固定、舵机改装、四轮定位等，具体内容将在第三章中介绍，最终车模整体见图2.2。图2.2 智能车整体外观2.2 智能车硬件电路整体设计方案智能车中的电路包括：微处理器最小系统、电源、传感器电路、电机驱动电路、测速器以及其他周边电路。主要设计原则是最简、实用、可靠和模块。因为电路复杂就增加了故障几率，只要符合要求，提供足够的应用功能就足够，而智能车最容易出现故障的环节往往是硬件电路部分，这部分出现问题的后果也比较致命，所以可靠的电路设计的重要原则

3、之一，另外，模块化设计便于整个系统的修改、升级、更替。具体设计详见第四章。2.3 智能车软件整体设计方案软件部分的设计主要是对微处理器K60的程序编写，通过计算 对其各个端口进行读写控制，即将传感器获取的电信号通过单片机端口读入，并经过处理，进行控制算法，最终通过单片机端口输出给硬件电路，对车速、方向等硬件电路进行控制，最终实现对车辆机械部分的控制。软件的设计原则主要是：效率、结构化、规范、易读。因为软件部分涉及到端口输入输出数据的处理，要对车辆硬件进行控制，因此要提高软件处理的效率以达到控制的及时性。另外，整个控制环节有紧密的逻辑关系，因此，软件的结构合理和规范化的设计有助于调理逻辑关系，便

4、于修改、调试、扩展及拥有较强的适应能力。程序编写选用IAR为编译环境，C语言为主要程序编写语言。具体软件设计详见第五章。2.4 智能车主要技术参数智能车主要技术参数包括物理尺寸、电路指标等，具体参数见表2.1。表2.1 智能车主要参数表项目单位参数车模尺寸(长宽高)毫米(mm)750180230, 270180230,车模重量(带电池)克(g)2300,2230车模轴距毫米(mm)170车模平均电流(匀速行驶)毫安(mA)8000电路电容总量微法(F)1600电磁传感器(电感电容谐振回路)个6寻车传感器(摄像头)个1电感值mH6传感器间距毫米(mm)200干簧管个6赛道信息检测空间精度毫米(m

5、m)6赛道信息检测频率次/秒200,30核心处理器种类及个数MK60DN512VLL101个智能车名称（前车）春香智能车名称（后车）梦龙注：由于设计报告书写期间智能车仍然在进行改进，因此有些数据未能更新。之后的内容中涉及到的参数、程序、图片也有类似情况，不做逐一说明。第一章 机械设计制作及调整智能车机械部分设计主要包括制作和调整两部分内容，制作部分的内容主要是对车模没有的部分进行设计，包括传感器支架、电路板固定、防撞、测速轮安装等。调整部分则主要是针对智能车车模本身已经有的机械部分，在规则允许范围内进行调整，改装，提高其运动性能，以适应高速行驶和快速控制，这部分主要包括舵机改装、底盘调整、避震

6、调整、四轮定位等。本章内容主要对电路板安装、传感器支架以及机械调校部分进行介绍。3.1 机械结构制作部分设计由于大赛提供车模本身是运动型模型车通用车模，并没有提供专门为智能车安装电路、传感器等电路部分的部件，因此这部分机械结构需要自行设计制作并安装。制作部分主要原则为：轻、牢、简，所以我们主要选择铝合金、尼龙等原材料制作，所有自制结构，都是由我们手工制作。3.1.1 电路板及传感器安装根据前期传感器测试，我们得到电磁传感器的前瞻、架设高度、仰角等参数，根据参数，我们设计了电磁传感器的架设结构如图 3.1。图3.1 电磁感和摄像头的架设另外一个传感器是测速传感器，码盘测速方式。具体安装如图 3.

7、2所示。图3.2 测速感器的安装3.2 车模机械结构的调整与改装车模本身的机械结构是通用结构，并不适合智能车竞赛的要求，因此要对这些部分进行改装，另外，为了提高车模的运动性能，对一些机械结构还需要调整，比如车轮前束等。这部分着重介绍舵机改装、底盘等部分的调整和改装。3.2.1 舵机改装为了提高舵机反应速度，在相同转角下，有尽可能大的线行程，因此需要延长舵机臂。另一方面，由于舵机扭矩和转角精度的限制，不能无限制延长舵机臂，这样就确定了舵机臂的长度，并使用铝合金片加工成形，尺寸为24mm38mm。图3.5是舵机安装实物图，四个螺丝将舵机牢固安装在支架上。图3.3 舵机改装3.2.2 底盘改装由于赛

8、道特性，底盘改装目标是尽可能低(能保证通过坡道)，这样可以最大程度保证智能车行驶的稳定性。因此我们降低了底盘高度。另外，由于赛道整体属于平坦路面，没有较大较多的颠簸，所以我们把后避震拆除，并紧固后桥连接件。3.2.3 前轮定位B型车模前轮可以调整的角度有主销前倾、内倾、前束等，这些角度的调整根据每个车的机械性能不同而不同调整，我们的智能车由于重心位置在中心偏后，因此前轮压力较小，转向负担不大，因此为了增加抓地力和稳定性，选择了主销内倾和负前束的调整。另外，由于车模本身的精度限制，这部分角度的调整并不是主要的，仅仅是为了避免负面影响以及修正车模本身的不对称和不平衡问题。图3.4所示图3.4 前轮

9、定位主销内倾角是指在横向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角，它的作用也是使前轮自动回正。角度越大前轮自动回正的作用就越强，但转向时也就越费力，轮胎磨损增大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。通常汽车的主销内倾角不大于8。 对于模型车，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，所以在调整时可以近似调整为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。3.2.4车轮外倾角前轮外倾角

10、是指通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角，对汽车的转向性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。在汽车的横向平面内，轮胎呈“八”字型时称为“负外倾”，而呈现“V”字形张开时称为正外倾。如果车轮垂直地面一旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致车轮联接件损坏。所以事先将车轮校偏一个正外倾角度，一般这个角度约在1左右，以减少承载轴承负荷，增加零件使用寿命，提高汽车的安全性能。 模型车提供了专门的外倾角调整配件，近似调节其外倾角。由于竞赛中模型主要用于竞速，所以要求尽量减轻重量，其底盘和前桥上承受的载荷不大，所以外倾角调整为0即可，并且要与

11、前轮前束匹配。3.2.5 前轮前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，也指前轮中心线与纵向中心线的夹角。前轮前束的作用是保证汽车的行驶性能，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减少。像内八字那样前端小后端大的称为“前束”，反之则称为“后束”或“负前束”。在实际的汽车中，一般前束为012mm。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，

12、使模型车转向更为轻便，但实际效果不是十分明显。虽然模型车的主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前束等均可以调整，但是由于车模加工和制造精度的问题，在通用的规律中还存在着不少的偶然性，一切是实际调整的效果为准。3.3智能车转向机构调整优化理想的转向模型，是指在轮胎不打滑时，忽略左右两侧轮胎由于受力不均产生的变形，忽略轮胎受重力影响下的变形时车辆的的转向建模。在这种理想的模型下，车体的转向半径可以计算得到。图3.5 智能车转向示意图如图3.5，假设智能车系统为理想的转向模型，且其重心位于其几何中心。车轮满足转向原理，左右轮的轴线与后轮轴线这三条直线必然交于一点。转向机构在车辆运行过程中有着非常重要

13、的作用。合适的前桥和转向机构可以保证在车辆直线行驶过程中不会跑偏，能保证车辆行驶的方向稳定性；而在车辆转向时，合适的转向机构可以使车辆自行回到直线行驶状态，具有好的回正性。正是由于这些原因，转向系统优化设计成为智能车设计中机械结构部分的重点，直接关系到赛车能否顺利地完成比赛。在实际操作中，我们通过理论计算的方案进行优化，然后做出实际结构以验证理论数据，并在实际调试过程中不断改进。在模型车制做过程中，赛车的转向是通过舵机带动左右横拉杆来实现的。转向舵机的转动速度和功率是一定，要想加快转向机构响应的速度，唯一的办法就是优化舵机的安装位置和其力矩延长杆的长度。由于功率是速度与力矩乘积的函数，过分追求

14、速度，必然要损失力矩，力矩太小也会造成转向迟钝，因此设计时就要综合考虑转向机构响应速度与舵机力矩之间的关系，通过优化得到一个最佳的转向效果。经过最后的实际的参数设计计算，最后得出一套可以稳定、高效工作的参数及机构。3.4智能车重心位置的调整为了达到较远前瞻，必须把电感架到较远的位置，会引起车重心特别靠前，后轮正压力不足导致甩尾。为了使重心后移，我们尝试了很多传感器支架的搭建方式，使得保证结构稳定的前提下尽量减轻重量。同时，我们把舵机和电池均往后移，达到了预期的效果。3.5其它机械结构的调整另外，在模型车的机械结构方面还有很多可以改进的地方，比如说车轮、悬架、底盘、车身高度等。模型车在高速的条件

15、下（2.3m/s-3.5m/s），由于快速变化的加减速过程，使得模型车的轮胎与轮辋之间很容易发生相对位移，可能导致在加速时会损失部分驱动力。在实验中调试表明，赛车在高速下每跑完一圈，轮胎与轮辋之间通常会产生几个厘米的相对位移，严重影响了赛车的加速过程。为了解决这个问题，我们在实际调试过程中对车轮进行了粘胎处理，可以有效地防止由于轮胎与轮辋错位而引起的驱动力损失的情况。此外，我们还对车身高度，以及底盘的形状和质量等，都进行了相应的改进和调整，均取得了不错效果。 由于今年赛题加入双车追逐，所以做车的时候要求两车的一致性很高，因此摄像头车选用B车第二章 电路设计说明智能车电路部分主要的模块包括：单片机最小系统、电源模块、传感器模块、驱动模块以及其他周边调试模块。各模块的总体设计原则是：紧凑、易于拆换、稳定可靠。但根据各模块的不同，又有不同的设计要求，本章对各个模块的设计进行详细描述。4.1 单片机最小系统这次设计选用的单片机是MK60DN512VLL10 (以下简称K60)，100引脚封装，这款单片机的运算速度、存储容