第四章 智能车机械结构调整
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更新于2008-07-31 13:45:02

        此次比赛选用的赛车车模采用东莞博思电子数码科技有限公司生产的G768仿真车模。赛车机械结构只使用竞赛提供车模的底盘部分及转向和驱动部分。控制采用前轮转向,后轮驱动方案。具体车模数据如下: 
        车长: 286mm 
        车宽: 163mm 
        如图4.1所示:其中虚线部分为轮胎,A点为右轮的转动轴点,同理,对应左侧相应位置。

4.1 舵机的改装 
        舵机部分可以看作一个简单的四杆机构。可以通过如下两种方法来改进舵机: 
        1.增加连杆的长度 
        增加连杆的长度,可以增加左右轮转动的幅度,即增加舵机的灵敏性,但是这也会带来一个问题,那就是会相应地减小单位控制增量增加的力矩,但是从前面对Futaba S3010的介绍,此舵机单位输出力矩很大,完全可以满足比赛时对转弯的要求。 
        2.架高舵机 
        架高舵机,也可以增加连杆的长度,而且还不会减小单位控制增量增加的力矩,但是这样做会舵机的固定复杂化,而且增加的幅度也较第一种方案小。 
        综合考虑,设计中选用了两种方案的综合。改装后的舵机如图4.2。

        但是改装后舵机的中位需要重新调整。采用结合编程控制的方法来纠正舵机的中位。 
        编程实现舵机左右各转一定的角度,最后居中静止,之所以这么做,主要是为了消除舵机的抖动对其中位带来的影响。根据舵机最后静止的位置来调节两连杆的长度,反复多次调节,可以达到理想的效果。
4.2差速的改进 
        差速机构的作用是在车模转弯的时候,降低后轮与地面之间的滑动;并且还可以保证在轮胎抱死的情况下不会损害到电机。 当车辆在正常的过弯行进中 (假设:无转向不足亦无转向过度),此时4 个轮子的转速(轮速)皆不相同,依序为:外侧前轮>外侧后轮>内侧前轮>内侧后轮。此次所使用车模配备的是后轮差速机构。差速器的特性是:阻力越大的一侧,驱动齿轮的转速越低;而阻力越小的一侧,驱动齿轮的转速越高。以此次使用的后轮差速器为例,在过弯时,因外侧前轮轮胎所遇的阻力较小,轮速便较高;而内侧前轮轮胎所遇的阻力较大,轮速便较低。 差速器的调整中要注意滚珠轮盘间的间隙,过松过紧都会使差速器性能降低,转弯时阻力小的车轮会打滑,从而影响车模的过弯性能。好的差速机构,在电机不转的情况下,右轮向前转过的角度与左轮向后转过的角度之间误差很小,不会有迟滞或者过转动情况发生。
4.3霍尔的安装 
        在差速轮的轮左面边缘均匀粘贴了16个小磁铁,如图4.3安装CS3020。

4.4摄像头的固定 
        一. 安装原则 
        摄像头的安装涉及的问题比较复杂,包括安装角度,安装位置是否居中,伸出车体的长度,安装高度,还要考虑到整个模型车的重心问题。需要经过大量的调试来确定。本设计中对于摄像头的固定,我们基于以下考虑: 
        1.安装高度在高,因为登高才能望远,看得范围大,才能更提前做出判断,为识别S型弯,急转弯提供了可能性。 
        2.摄像头一定要居中,这是硬性要求,因为一旦摄像头的位置不在中间,那么就会出现模型车运行时,黑线不在其正下方,而是在其一侧,偏左或是偏右。这样就带来了一个问题,有可能模型车顺时针方向转向比较顺畅,因为它一直在走内圈,而逆时针运行时,小车一定会经常处于外圈,那么转弯时就有可能比较困难,甚至冲出跑道。 
        3.摄像头角度要在不影响视野的前提下,尽量靠近垂直方向。因为这样可以尽量减小最远点与最近点之间的变形差距,还能解决模型车爬坡时看出赛道的问题,但是会带来视野过窄的问题。 
        4.基于第三种考虑,那么摄像头就必须尽量靠前。具体距离依实验数据而定。 
        5.摄像头不会过分影响模型车的重心,模型车的总体重心还应该靠后。 
        6.摄像头的高度,角度,和伸出车体的长度尽量做成可调节的。 
        二. 安装位置 
        基于以上原则,综合考虑,安装摄像头如下图4.4所示:

        从上图中可以看出摄像头的高度,纵平面的旋转角度,以及横侧平面的旋转角度(小幅度)都是可调节器的。
三. 摄像头位置的矫正 
        众所周知,相对于人眼来说,摄像头的视野很窄,很难满足比较复杂的控制要求。而如果摄像头的位置不正,也采集到图像相对于车体中心线偏左或是偏右,那么即使是在中心线,单片机系统硬件也会把它识别成偏离从而进行拐动;当然如果只是左右偏离,而不是整个图像的扭转,这种是可以接受的,在软件里是可以设置调节的;但是这样也会带来一个问题:左右视野不对称,会给舵机的控制带来很大的复杂度。 
        综上所述,有必要对摄像头的位置进行较为科学细致的矫正,为后面软件程序里的控制打下基础。设计中采用以下方法对摄像头的位置进行正:
事先在一块白板上画了一系列小的正方格,正方格越小,精度越高。然后标定中心黑粗线,用来确定赛车的摆放位置和图像的中心。把赛车尽可能准确地摆放在整个黑线的中心之上,并且要保证车体垂直于黑色底线。基本上如下图4.5红色小车位置所示。

        然后借助于电视的视频输入观看在赛车架设的摄像头所采集到的图像: 
        1.首先要保证整个图像没有被扭曲,即从电视里看到的图像是正前方的,而不是斜前方的。 
        2.其次再来看一下电视里黑线是不是处于整个图像的中心,可以通过数左右方格的个数来判断,以左右方格个数的差来确定摄像头位置调节的方向。 
        3.反复进行几次,就可以达到理想的效果。
4.5电路板的安放 
        设计时,考虑到底盘已有孔洞及电路板的布局,有选择地在电路板上打孔。用支柱将电路板支起一定高度,电路板应尽可能水平,并且应高于减震铁圈,以免发生短路。
4.6 前轮倾角的调整 
        调试中发现,车模过弯时,转向舵机的负载会因为车轮转向角度增大而增大。为了尽可能降低转向舵机负载,对前轮的安装角度,即前轮定位进行了调整。前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性,转向轻便和减少轮胎的磨损。前轮是转向轮,它的安装位置由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束等4 个项目决定,反映了转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位置关系。主销内倾是指主销装在前轴略向内倾斜的角度,它的作用是使前轮自动回正。角度越大前轮自动回正的作用就越强烈,但转向时也越费力,轮胎磨损增大;反之,角度越小前轮自动回正的作用就越弱。 
        主销后倾是指主销装在前轴,上端略向后倾斜的角度。它使车辆转弯时产生的离心力所形成的力矩方向与车轮偏转方向相反,迫使车轮偏转后自动恢复到原来的中间位置上。由此,主销后倾角越大,车速越高,前轮稳定性也愈好。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,因此高速时后倾的回正作用大,低速时内倾的回正作用大。 
        前轮外倾角对汽车的转弯性能有直接影响,它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。前轮外倾角俗称“外八字”,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外八字角度,这个角度约在1°左右。 
        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,其惯性力会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。
4.7 齿轮传动机构调整 
        车模后轮采用RS-380SH电机驱动,由竞赛主办方提供。电机轴与后轮轴之间的传动比为18:76(电机轴齿轮齿数为18,后轮轴传动轮齿数为76)。 齿轮传动机构对车模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,从而影响到最终成绩。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,白白浪费动力;传动部分要轻松、顺畅,容易转动,不能有卡住或迟滞现象. 
        判断齿轮传动是否调整好的一个依据是,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,电机负载加大。调整好的齿轮传动噪音小,并且不会有碰撞类的杂音。
4.8 其他机械模块调整 
        在调试过程中,除去对以上部分的调整以外,其他机械部分也要酌情调整。悬挂臂、转向联杆的动作要灵活自如,准确无误;主悬架要松紧适度;驱动电机的螺丝一定要上紧,并要经常检查,一旦在行驶中松动就会造成零件的损坏。调试中还发现主悬架的第二个螺丝容易松动,测试时要检查是否上紧。

 

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