硬件调整法案.docx

第一章 智能车机械设计方案整车的设计我们本着轻巧的原则，同时最大可能地降低重心且重心靠后。设计了大小完全一样的上下两块PCB，上面为S12主控模块，下板为电机驱动，速度检测模块，电压检测模块等等。两块板尽可能接近底盘，编码盘固定在电机的轴上，传动比为1：2，传感器通过金属支架斜向上伸出车头，提高前瞻距离。重心安排在悬挂螺丝的正下方。我们还加了塑料垫片将模型车的重心尽可能下移，保证模型车的抓地力。前束（toe）、内倾角（kamber）、后倾角（caster）、轮距、避震等我们都进行了精细地调整。模型车具体调整参数如表3.1所示。表3.1 模型车机械参数说明整体构造简单、轻便，重心很低且比较靠后，没有任何冗余。3.1重心转移理论：可以毫不夸张地说，模型车的重力转移是竞速比赛中的最重要的环节。也是区分好的机械结构的标准。懂得车子的重力在那里，使轮胎保持在极限上，并且不突然超越它，可以使模型车开得飞快。当模型车在转弯时，会由于车的惯性而产生离心力，该力作用于重心而产生扭矩，该扭距将会遵从牛顿第二定律而被抵消。这个抵消过程实际上令外侧的轮子受到比内侧轮子更大的压力。因为整车的重力是保持恒定的，所以从内侧轮移走的压力必然添加到外侧轮子上。换句话来说，重力被从内侧转移到外侧。假设模型车正在左转，任何来自左前轮的重力都必定转移到右前轮，任何来自左后轮的重力都必定转移到右后轮。在刹车或者加速的时候，重力也会在前后方向转移。这就是为什么可以通过施加一点刹车以减少车辆的转向不足。这时重力从后轮转移到前轮，因此获得更多的前轮抓地力以使车辆转向。重力转移的量是和重心的高度成正比，和车的轮距成反比。这就是为什么绝大多数赛车都在规则限定内尽可能的宽，重心尽可能低，因为那可以减少横向重力转移，以防止总体抓地力的减少。重力转移也和车子的静止质量成正比，这也是赛车要尽可能的轻，同样的这也可以减少重力转移。 重力转移的量还取决于其他因素，比如速度和转弯时所行进路线的半径。事实上重力转移的量和转弯半径成正比。这也是为什么当车子转弯的时候，转弯半径比较大的线路是最快的线路。因为它使重力转移尽可能的小，并使转向抓地力尽可能的大。3.2舵机的改进舵机响应速度是整车过弯速度的一个瓶颈。为了加快车轮转向速度，我们设计并安装了舵机转向机构。在并非改变舵机本身结构的条件下，将舵机竖立起来，加大两端的力臂，并使其力臂相等。通过实际测试，力臂的增大的确大大提高了模型车的转弯时的转向。舵机支架的安装位置如图3.1所示。图3.1 舵机改良效果图对于架高了的舵机，我们担心单片机输出的PWM对应于舵机转角是否依然成线性关系，于是我们做了简易的测试方案，测试方案如下：我们将激光头系在模型车的车轮上，使激光垂直照射在墙上，再使单片机的PWM以极小步进输出，测出激光在墙上的移动距离，就能得出单片机输出的PWM与转角的关系了。测试结果如表3.2：表3.2 舵机线性度测试结果从表中，我们可以看到,单片机输出的PWM与舵机转角依然成线性关系。3.3前轮倾角的调整前轮是转向轮，他的安装位置由主销内倾，主销后倾，前轮外倾和前轮前束决定。主销内倾是指主销装在前轴向内倾斜的角度，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，但转向时也同时会费力，增大轮胎磨损。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与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心位置上。由此，主销后倾越大，车速越高，前轮稳定性越好。主销内倾和主销后倾都能使模型车自动回正，不同点在于主销内倾回正与车速有关，而主销后倾与车速无关。可以说，在高速时主销内倾起主要作用，而低速时，主要依靠主销后倾时模型车回正。前束是指两轮之间的后距离数值与前驱离数值之差，也指前轮中心线与纵向中心线的夹角，它能减少模型车的磨损，前轮滚动时，其惯性力会自然将轮胎向内偏斜，如果前束适当，轮胎的偏斜方向会抵消，减少磨损。车轮前端向内倾(内八字)，称为Toe-in;车轮前端向外倾(外八字)，称为Toe-out。在比较滑的场地可以使用3度后Toe-in。增加Toe-in的同时，会增加后轮的抓地力，但同时减少转向。在抓地力比较好的场地可以使用2度或以下的Toe-in，这样会减少后轮的抓地力，而且同时增加直线速度。越大角度Toe-in或Toe-out，越会减低车辆在直线行走的速度。不推荐使用过大的Toe-in或者Toe-out（超过3度），考虑到此次比赛的场地不会太滑，抓地力比较好，我们设定Toe-out为2度。3.4后轮差动轮的调整差速机制的作用是使车轮在转弯时减小与地面的打滑，太紧会导致差速器性能降低，起不到差速的作用。太松会导致打齿，增大了模型车的加速时间。差速齿的调整对于模型车过弯速度很重要，为了更好地提高过弯性能，我们将差速齿调节的要比一般队伍更松一些，虽然提高了转弯性能，但却对电机齿轮也带来了一定磨损，而且有一定程度的“甩尾”出现。经过长时间的磨损，我们明显地发现，电机的连动铜齿居然都被磨损了，每一齿由原来的“梯形”被磨成了“三角形”，模型车在运行过程中由于磨损带来了很大的噪声，不得不换齿了，由于磨损相当长的时间才会使电机齿轮变形（我们在一个学期的调试过程中也只换了两个铜齿），最终我们决定以铜齿磨损的代价来换取转弯的高差速性能。如果出现了甩尾的现象，稍微将差速器调紧也可改善甩尾之发生，不过紧度的拿捏要多次的细腻调整，如调整过紧会得到反效果。3.5后轮固定件的改良由于电机和码盘都固定在后轮的偏右方向，使小车整体重心略微偏右，左转与右转的灵活性不相同，所以我们将后轮左边的塑料固定件更换金属配件，平衡了重心也减少了磨损。见图3.2：3.2后轮固定件效果图3.6轮胎防滑机械结构：平时调试时发现，当跑道灰尘较多时，模型车很容易打滑，所以我们设计了一个小装置来改善轮胎的摩擦系数，我们将四个轮胎的前方都安装一块海绵，当模型车运行的同时也在不停地擦着轮胎，模型车打滑现象明显大大改善了。3.7前轮减震弹簧改进：模型车使用时间过长之后，前轮减震弹簧明显松动，即使舵机没有摆动，前轮也可以作小幅度的摆动，影响舵机的精确控制，我们用圆珠笔的弹簧更换了前轮的减震弹簧，由于圆珠笔内的弹簧阻尼系数更大一些，前轮更容易被固定死，明显改善了前轮摆动的问题。增加前避减震弹簧硬度，也能改善甩尾情况的发生，过弯失速有可能为前轮抓地力比后轮强，也就是所谓的转向过度，让前避震变硬来降低车辆侧倾量将会改善甩尾情形，更会让车辆偏向于稳定。3.8悬挂臂的调整：我们的两排传感器前倾很多，模型车在运动时会带来传感器的上下震动，同时由于本次比赛相对平坦，所以我们将悬挂臂的弹簧固定成最紧，保证模型车运行时和传感器没有相对地震动。3.9后轮轮距的调整前文重心转移理论一章里，我们已经提到过加宽后轮车宽的好处。可以减少横向重力转移，以防止总体抓地力的减少。加宽后轮距会让车辆稳定性提升，不过须注意加宽后轮车宽相当于增加了模型车跑出赛道的几率，过厚的调整垫片让轮胎固定螺丝固定量过少也会使轮胎容易脱离。3.10胎水的使用：使用胎水最大用意是软化轮胎。面对场地抓地力不佳可使用胎水，我们使用的是橡胶水，抓地力过高路面前后轮胎水的涂抹就得依后轮全部涂抹、前轮1/23/4涂抹为准则，以免造成转向过度。胎水涂抹之后切记将多余胎水去除干净，如胎水未予去除，过多的胎水油渍将会让车辆短时间丧失抓地力直至胎水消失为止。3.11速度检测模块安装将专业编码盘以1：2的传动比例安装在电机的轴上，不能有任何倾斜，齿与齿之间要保持适当的接触，这样接收到的脉冲均匀，不会出现遗漏情况。3.12传感器的安装传感器的安装是一件非常棘手的事情，高一点，低一点都会影响AD采样值。所以在每次调试之前必须仔细检查一下传感器的采样值，进行适当调整，使其到达线性度最好的状态。我们前排传感器用于检测弯道，用金属支架架得很高，设计成60度的角度，前瞻距离达到30cm，后排传感器直接对地，检测模型车当前位置，因此不需要太高。3.13防侧滑理论：汽车侧滑分为四轮侧滑、前轮侧滑和后轮侧滑三种情况。四轮侧滑较少出现。前轮侧滑缓解了车辆转向角速度，路面较宽时危险性不大，其离心力因前轮侧滑而减小，所以一般能自行制止、缓解乃至消失。但后轮侧滑特别是转弯时外侧滑危险性极大，因为它会加大转向角速度，导致越滑越烈，如“抱死”，路面越滑，制动时间越长，侧滑也就越严重，其离心力（惯性侧翻力矩）也因侧滑而加大，当大于车辆重力的稳定力矩时就会翻车。引起前轮侧滑的因素很多，如前轮定位参数、车速、轮胎气压、载荷和驱动方式等，但前轮定位参数中前束值与外倾角匹配是影响前轮侧滑的最主要因素。基于前轮侧滑机理的分析，考虑轮胎侧偏特性和模型车结构参数的影响，建立前轮前束值与外倾角理论匹配关系：，公式1公式1中d为测量前束处的轮辋直径，L为模型车轴距，l轮胎接地印迹长度为前轮外倾角，r为轮胎滚动半径。合理地调节这些参数，是前轮侧滑达到最小。由前面的分析可知，后轮侧滑在模型车的运行过程中危害极大（尤其在过弯时），对模型车的过弯速度有很大的影响。经过我们的分析，假设模型车匀速过弯，那么它所受到的向心力是不变的，设为F1，将F1分解为平行于模型车的力F2和垂直于模型车的力F3，如图3.3所示：3.3 模型车转弯受力分析其中F2将影响模型车的前滑力，而F3是阻止模型车侧向滑动的力，根据理论分析，我们认为当保持模型车过弯速度不变时（即保持向心力不变），减小F2即能增大模型车的放侧滑力F3，基于以上理论，我们建立了一套较好的过弯算法，详细算法见软件算法一章。3.14轮胎影响因素：轮胎对于车辆能够被很好的操控，是非常重要的。因为轮胎是车辆和地面的唯一联系，而这个联系仅仅取决于轮胎和地面的接触面的摩擦力。让我们来看看摩擦力是如何产生的。计算两个物体表面之间所产生的摩擦力的公式是：，其中是最大摩擦力， N为物体表面所受到的正压力，表示摩擦系数。 对于橡胶轮胎来说， 摩擦系数并不是恒定的。它随着温度、压力，还有更重要的是，随着滑动量而改变。 下图3.4显示滑动量和摩擦力的关系。图3.4滑动量与摩擦力关系图在图中的横轴表示滑动量，从0%(没有滑动，轮胎仅仅是向前滚动)，到100%(轮胎垂直于地面且垂直于车辆行进的方向)。而纵轴表示摩擦系数，在图中左边的部分， 发生于轮胎内部的滑动处于支配的地位，就是常说的“轮胎蠕动”。当轮胎在压力下变形，且轮胎接地块偏离其纵轴运动，这种情况就会发生。这也产生了所谓的“测滑角(Slip Angle)”。在图中右边的部分，在两个表面之间的滑动处于