劉南昌，李全，王宏，曾水旺，黎天左

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飛思卡爾杯B型車模機(jī)械部件的改進(jìn)探討

劉南昌，李全，王宏，曾水旺，黎天左

（五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，江門 廣東 529020）

針對(duì)B型車模存在的底盤太高、減震器過于靈敏、舵機(jī)響應(yīng)慢、測速碼盤安裝不便等問題，經(jīng)過系列改進(jìn)，通過壓縮彈簧以降低底盤重心和減輕減震太軟帶來的震蕩；選擇合理的定位參數(shù)，提高了小車行走的穩(wěn)定性及控制的靈敏度；舵機(jī)、測速碼盤合理安裝，提高舵機(jī)響應(yīng)速度，為智能車快速、平穩(wěn)前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎以及制動(dòng)控制提供更好的基礎(chǔ).

飛思卡爾杯智能車大賽；B型車模；底盤調(diào)整；四輪定位

“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能車大賽已經(jīng)成功舉辦了四屆，為了增加大賽的挑戰(zhàn)性及新鮮感，從第五屆開始，大賽要求光電組和攝像頭組使用B型車模. B型車模由玩具遙控越野車模改造而來，對(duì)于需要快速反應(yīng)的競速型比賽，B型車模存在不少問題，如底盤太高、減震器過于靈敏、舵機(jī)響應(yīng)慢、測速碼盤安裝不便、四輪驅(qū)動(dòng)控制等. 為適應(yīng)大賽要求，需對(duì)B型車模做技術(shù)改進(jìn)，本文針對(duì)上述問題開展了B型車模機(jī)械部件的改進(jìn)研究，提出了有效的解決辦法，經(jīng)試驗(yàn)取得了較好的效果.

1 底盤重心及減震的調(diào)整

重心位置直接影響小車在高速過彎時(shí)的安全性能，重心太高會(huì)嚴(yán)重影響小車操控的穩(wěn)定性，甚至造成失控等嚴(yán)重事故.[1]由于比賽賽道窄、半徑小、表面平滑，B型車模在不加負(fù)載時(shí)底盤重心已高達(dá)3.05cm，這將嚴(yán)重限制小車的轉(zhuǎn)彎速度；同時(shí)越野減震器太靈敏、起步剎車震蕩明顯，也對(duì)數(shù)據(jù)采集和速度控制不利. 為提高小車的速度和安全性，需要對(duì)B型車模進(jìn)行底盤重心及減震的調(diào)整，具體有以下5種方法：

A．直接更換減震彈簧. 換成半徑相近，長度較短或彈性較硬的彈簧；

B．縮短彈簧長度. 對(duì)現(xiàn)有減震彈簧進(jìn)行適當(dāng)剪切，縮短彈簧的長度；

C．調(diào)整螺桿長度. 通過調(diào)整減震器中軸中的螺桿長度以調(diào)整彈簧的長度；

D．通過調(diào)整前后橋上的一粒內(nèi)六角螺絲來調(diào)整車身高度；

E．壓縮彈簧. 拆開減震彈簧連桿的上蓋，在內(nèi)筒的螺桿里加裝墊片，縮短連桿的長度.

圖1 方法E改裝效果圖

經(jīng)試驗(yàn)，方法A難以找到合適彈簧，且有犯規(guī)風(fēng)險(xiǎn)；方法B很難剪到合適的長度并保持四輪高度平衡，且剪切后彈簧不可恢復(fù)；方法C可調(diào)范圍極小，只有0～1.0 cm，且影響螺桿的牢固性；方法D可調(diào)范圍達(dá)不到要求，易單側(cè)受力過大使車模底盤變形；方法E效果明顯，如圖1-a，在螺桿的軸心中各加了3～5片塑料墊片，彈簧從原來的4.63 cm縮短為4.10 cm（如圖1-b），小車后座的底盤由原來的3.05 cm降到了2.15 cm，前底盤降到1.75 cm.

通過加裝墊片的數(shù)量及厚度可以任意調(diào)整螺桿的長度，螺桿的縮短壓緊了彈簧，增加了彈力，從而克服了減震器過于靈敏的問題，減少了行駛過程中因重心變化及震蕩對(duì)賽道數(shù)據(jù)采集造成的影響. 降低車模重心的同時(shí)，底盤不易過低. 為了增強(qiáng)爬坡時(shí)的穩(wěn)定性，車的后底盤應(yīng)略高于前底盤，使重心前傾. 改造后，小車后底盤比前底盤高出約2 mm.

2 前輪定位參數(shù)的選擇

前輪是轉(zhuǎn)向輪，它的安裝位置由主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角、前輪外傾角和前輪前束角等4個(gè)參數(shù)來決定，這些參數(shù)的調(diào)整對(duì)智能車直線行駛的穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向的輕便性及輪胎磨損有很大影響.

1）主銷后傾角. 設(shè)置主銷后傾角使車輪的方向自然朝向行駛方向，設(shè)定很大的主銷后傾角可提高小車的直線行駛性能，同時(shí)增大主銷縱傾移距. B型車模出廠時(shí)已經(jīng)有了約2°的后傾角（如圖2），故在安裝后只做微調(diào)就能滿足控制要求，可以在下橫梁的前后端增減墊片進(jìn)行調(diào)節(jié).

2）主銷內(nèi)傾角. 主銷內(nèi)傾角使主銷軸線與路面的交點(diǎn)到車輪中心平面與地面交線的距離減小，進(jìn)而減小轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員加在方向盤上的力，使轉(zhuǎn)向操縱輕便[1]. 主銷內(nèi)傾角不宜過大，否則會(huì)加速輪胎的磨損、降低輪胎的附著力. B型車模可以通過改變減震彈簧上端的固定點(diǎn)對(duì)主銷內(nèi)傾角進(jìn)行調(diào)整. 為了減少整車的震動(dòng)，此次調(diào)整把主銷內(nèi)傾角調(diào)為5°（見圖3），把彈簧上端固定在頂端固定孔，以降低底盤重心. 減輕舵機(jī)負(fù)載、提高舵機(jī)的靈敏度，使小車行駛更加穩(wěn)定.

圖2 B型車模前輪主銷后傾角

圖3 B型車模前輪主銷內(nèi)傾角

3）前輪外傾角. 從前后方向看車輪時(shí)，輪胎并非垂直安裝，而是稍微傾倒呈現(xiàn)“八”字形張開，稱為負(fù)外傾，而朝反方向張開時(shí)稱正外傾. 由于輪胎的寬度比較大（達(dá)到2.8 cm），輪胎與車輪的半徑（3.3 cm）比為0.85，故外傾角較小可防止輪胎磨損過快及附著力不足，經(jīng)測試-2°為較理想前輪外傾角（見圖4）.

圖4 B型車模前輪外傾角

圖5 B型車模前輪前束角

4）前輪前束角. 前輪前束角指的是左右前輪分別向內(nèi)，采用這種結(jié)構(gòu)目的是修正前輪外傾角引起的車輪向外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢. 前束角不當(dāng)，不僅磨損車模，而且影響舵機(jī)以及整車的穩(wěn)定性. 經(jīng)測試，小車前束角設(shè)定為2°時(shí)直線行走更穩(wěn)定，轉(zhuǎn)彎自修正更快，但會(huì)增加舵機(jī)的負(fù)載，造成舵機(jī)響應(yīng)略有延遲（見圖5）.

前輪的4個(gè)定位參數(shù)對(duì)小車行走的穩(wěn)定性及控制的靈敏度都有很大的影響，而且參數(shù)間也相互約束，所以調(diào)校時(shí)要經(jīng)過多次測試、對(duì)比才能使小車的控制達(dá)到最佳效果.

3 舵機(jī)的安裝

B型車模的方向連動(dòng)軸比較多，軸與軸之間連接的空隙較大、連接松動(dòng)，易造成虛位，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向不靈活；又由于轉(zhuǎn)向輪擺到左右極限時(shí)舵機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)180°，舵機(jī)擺動(dòng)角度越大響應(yīng)時(shí)間越長，因此經(jīng)過理論推算及試驗(yàn)，提出了2套改進(jìn)方案：

1）用鋁片加長舵機(jī)的力臂1.45 cm，并把轉(zhuǎn)向桿前端的連接點(diǎn)改為向上，防止出現(xiàn)轉(zhuǎn)向桿拐角過大而卡死或者脫落. 但此時(shí)轉(zhuǎn)向桿安裝不了，只能把原塑料蓋進(jìn)行剪切，并用鋁片把固定桿連接到舵機(jī)的支架，防止舵機(jī)的大推力造成整車震動(dòng)以及固定桿的損壞，如圖6-a.

2）參考A型車模舵機(jī)的安裝方法，舵機(jī)直立安裝，如圖6-b.

圖6 B型車模舵機(jī)安裝方法

舵機(jī)改動(dòng)前后的性能比較見表1，由表1可以看出：改動(dòng)后舵機(jī)反應(yīng)速度明顯加快，左右極限反應(yīng)時(shí)間由500 ms減少到125 ms. 綜合比較，方案2的優(yōu)勢更加明顯.

表1 舵機(jī)改裝效果比較

4 測速碼盤的安裝

透射式光電測速是B型車模比較理想的測速方式，其精度完全能夠滿足控制需要且成本低.

4.1 測速電路

光電傳感器采集回來的信號(hào)近似于鋸形波，單片機(jī)不能直接識(shí)別，需要進(jìn)行波形整形[2]. 一般用施密特觸發(fā)器或電壓比較器處理，本文選用電壓比較器處理，具體電路如圖7所示.

圖7 電壓比較器處理電路

4.2 碼盤制作

首先用AutoCAD設(shè)計(jì)碼盤樣圖，尺寸大小如圖8-a. 為了保證碼盤的精度和硬度，采用0.5 mm鐵片進(jìn)行制作，圖8-b是我們用電火花線切割機(jī)床做出來的32扇的碼盤.

圖8 碼盤的制作

4.3 碼盤的安裝及測試

B型車模有2個(gè)地方比較適合安裝碼盤：傳動(dòng)齒輪和電動(dòng)機(jī)的齒輪. 由于電動(dòng)機(jī)齒輪的結(jié)構(gòu)問題，無法安裝到位，故選擇在傳動(dòng)齒輪上安裝. 安裝時(shí)要注意裝好后的碼盤與車模的其他部件之間的空隙，否則高速旋轉(zhuǎn)的碼盤可能會(huì)損壞傳動(dòng)齒輪和周圍部件. 經(jīng)測試（結(jié)果見表2），該測速碼盤可以滿足小車測速要求，實(shí)驗(yàn)證明，該方法完全能勝任小車PID控制速度反饋，并且效果很好.

表2 1 s內(nèi)碼盤在不同占空比下所測的脈沖數(shù)

5 結(jié)論

通過對(duì)B型車模一系列的改進(jìn)后，車模底盤重心明顯降低、減震器彈性更加穩(wěn)定，小車后座的底盤由原來的3.05 cm降到了2.15 cm、前底盤降到1.75 cm；舵機(jī)左右極限響應(yīng)時(shí)間由原來的500 ms減少到125 ms，響應(yīng)速度比改前快3倍多；32扇測速碼盤的安裝到位，1 s內(nèi)所測脈沖數(shù)達(dá)到4 500個(gè). 這些改進(jìn)為智能車快速、平穩(wěn)地前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎以及制動(dòng)控制提供更好的基礎(chǔ)，經(jīng)改裝的車模在第5屆飛思卡爾杯全國智能車大賽中榮獲華南賽區(qū)二等獎(jiǎng).

[1] 周曉飛. 汽車四輪定位[J]. 公路與汽車，2003(5): 8-9．

[2] 卓晴，黃開勝，邵貝貝，等. 學(xué)做智能車：挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007．

An Exploration of the Improvement of the Mechanical Parts of the B-type Freescale Cup Cars

LIUNan-chang, LIQuan, WANGHong, ZENGShui-wang, LITian-zuo

(School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

There exist the problems of too high chassis, too sensitive shock absorbers, slow response of the steering, and the inconvenience of the installation of the speedometer in the B-type Freescale cars. A series of improvements can be made: shock can be reduced by lowering the gravity center of the chassis to reduce the vibration caused by too soft shock-absorbers; improving the stability and sensitivity of the control of the car in motion; and improving the steering response through reasonable installation of the steering unit and speedometer.

Freescale Cup Smart Cars Competition; the B-type car model; chassis adjustment; wheel alignment

1006-7302（2011）02-0056-05

TP242

A

2010-07-06

劉南昌（1985—），男，江西贛州人，碩士研究生，研究方向?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別、智能控制；李全，副教授，碩士生導(dǎo)師，通信作者，主要從事模式識(shí)別方面的研究.