周嘉琪 李文鵬

摘 要：為了更好地改善比賽中智能車的機(jī)械結(jié)構(gòu)，完善智能車控制設(shè)計(jì)系統(tǒng)，采用了新的硬件電路，并改進(jìn)了控制算法和控制參數(shù)。在機(jī)械結(jié)構(gòu)允許調(diào)整的前提下，在原始賽車模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了許多調(diào)整和改進(jìn)。以下是對(duì)于智能汽車模型的機(jī)械結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及改進(jìn)的詳細(xì)構(gòu)造。

關(guān)鍵詞：智能汽車;機(jī)械結(jié)構(gòu);競(jìng)賽

1 智能汽車的整體結(jié)構(gòu)調(diào)整

為了進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化汽車模型的機(jī)械結(jié)構(gòu)，需要考慮以下幾點(diǎn)：減小重心，防止體積碰撞，照顧前瞻性傳感器并確保電路板和傳感器安裝的可行性，防止信號(hào)干擾，確保車身的平穩(wěn)性和穩(wěn)定性。在調(diào)整比賽中使用的汽車模型的機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)根據(jù)上述幾點(diǎn)來(lái)調(diào)整結(jié)構(gòu)和布局。

重心過高會(huì)導(dǎo)致智能汽車高速轉(zhuǎn)彎時(shí)車輪升起和側(cè)翻，而重心向前，向后移動(dòng)太遠(yuǎn)或向后太遠(yuǎn)都會(huì)導(dǎo)致智能汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)不靈敏或打滑，并且增加馬達(dá)和轉(zhuǎn)向器負(fù)擔(dān)。因此，盡可能降低重心，并確保重心不會(huì)過度偏向汽車模型的前端和后端是確保車身穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。

驅(qū)動(dòng)器電路板（稱為驅(qū)動(dòng)器板）和電磁信號(hào)獲取電路板（稱為電磁板）位于汽車模型的前后。END STOP限幅器電路板（也稱為橫向錯(cuò)誤判斷板），防撞結(jié)構(gòu)和紅外測(cè)距傳感器分別連接到汽車模型的前部和電磁板下方。

攝像頭位于汽車模型中間的前部，主控制電路板（稱為主板）和電池分別位于攝像頭控制桿的前面和后面。紅外對(duì)管板位于電池的左側(cè)和右側(cè)?；善_關(guān)位于主板下方，靠近汽車模具底盤。固定方法是銅柱和螺母固定，再加上熱熔膠和黑色膠帶以及硅橡膠輔助固定，雖然相對(duì)穩(wěn)定可靠，但對(duì)外觀沒有太大影響。

2 攝像頭的安裝

安裝攝像機(jī)時(shí)要考慮的最重要因素是在滿足高度限制規(guī)則的前提下，前瞻性盲點(diǎn)可以滿足算法要求。前視可以理解為由攝像頭檢測(cè)到的信息的最長(zhǎng)距離，信息需采取有效軌跡中的數(shù)據(jù)，盲區(qū)可以理解為從攝像頭檢測(cè)到的有效軌跡區(qū)域到車身的距離。顯然盲區(qū)越小越好，向前越遠(yuǎn)越好。但是，實(shí)際上，由于攝像頭的高度受到限制，因此前視和盲區(qū)彼此沖突。如果想看得更遠(yuǎn)，將使盲區(qū)及其盲區(qū)易于增加。如果想要較小的盲區(qū)，則將犧牲部分超前距離。同時(shí)，當(dāng)攝像頭高度較低時(shí)，可以及時(shí)看到的軌跡距離很遠(yuǎn)，但不一定是有效的信息，一旦算法確定，則超前距離不再可能?？傊?jīng)過多次測(cè)試實(shí)驗(yàn)，最終決定將攝像頭安裝在智能汽車模型的中間。在這里，大約1米（算法要求）的最佳前視和盲區(qū)僅為10厘米。不影響智能汽車控制算法對(duì)有效軌道信息提取的需求。

在確定了攝像頭相對(duì)于母板的位置，攝像頭的傾斜度以及攝像頭的高度之后，攝像頭的前向和盲區(qū)都會(huì)被平等地確定。因此，使用兩個(gè)碳纖維桿支撐攝像頭桿，以防止由于身體振動(dòng)而造成前瞻性變化。同時(shí)，在攝像機(jī)和攝像機(jī)桿之間連接了兩個(gè)短的碳纖維桿支撐，以防止攝像機(jī)的傾斜角度發(fā)生變化。該連接通過熱熔膠和黑色膠帶固定，易于固定。同時(shí)，考慮使用3D打印技術(shù)制作更好的固定支架。長(zhǎng)期測(cè)試證明該固定方案具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。攝像機(jī)使用柔性電纜連接到主板，該電纜穩(wěn)定，易于安裝且易于更換。同時(shí)，減少了生產(chǎn)線的外部復(fù)雜性，并增加了車身的美觀性和清潔度。

3 電路板的安裝

電路板的安裝使用銅柱，螺釘和螺母固定。電路板的安裝有其自身的考慮因素。由于杜邦線的不穩(wěn)定，大多數(shù)對(duì)穩(wěn)定性有疑問的接口都使用帶有卡槽的XH2.54接口，該接口非常穩(wěn)定。在焊點(diǎn)和電路板的背面粘上一層黑色膠帶和熱熔膠，以避免人手接觸并導(dǎo)致電路板破裂并燒壞芯片。

主板是全局核心，位于中間。由于有焦點(diǎn)，因此相機(jī)位于中間，核心控制器的面積也不小。決定放置電池以控制重心。主板中間留有圓弧，旨在適應(yīng)機(jī)箱剩余可用區(qū)域的形狀。合理地使用了有限的空間，并且為方便起見，提供了傳感器和電路板之間的直接連接。主板下面有各種各樣的電纜和少量設(shè)備，因此升高了一定高度，不會(huì)使重心過高，從而使線路連接穩(wěn)定可靠，并且整個(gè)接線看起來(lái)更不混亂。

電磁板需要一定的外觀，但是汽車的長(zhǎng)度和極限之間的間隙很小，因此外觀本身非常有限，因此必須將其放置在前舵機(jī)上方，固定方法是銅柱和螺釘。同時(shí)，不斷調(diào)整測(cè)試電感器在其上方的位置，以獲得針對(duì)測(cè)試電感器位置的最佳安裝計(jì)劃。

4 電池的安放

電池的放置主要考慮重心因素，還考慮了需要大量電能的母板和驅(qū)動(dòng)板的接線問題以及電池本身的尺寸。

經(jīng)過綜合考慮，使用了小型鋰電池，該鋰電池放置在汽車模具底盤的后方中間位置，從而相對(duì)穩(wěn)定地穩(wěn)定了整個(gè)車身的重心。使用四個(gè)固定的銅柱固定電池。同時(shí)，帶倒鉤的黑色電纜扎帶連接到電池的背面，帶軟毛的黑色電纜扎帶連接到電池的位置。只需將電池放在機(jī)箱上。銅柱用于保持水平方向并提供一定的摩擦力，使電池難以搖晃。將扎線帶安裝到電池后，即可穩(wěn)定地固定電池。更換電池時(shí)，只需從一側(cè)輕輕揭下，放置時(shí)僅用卡住的銅柱按壓電池即可。實(shí)用性很高，安全可靠，非常方便。

5 舵機(jī)服務(wù)器調(diào)整

舵機(jī)伺服務(wù)器垂直安裝，其輸出角度由前輪的聯(lián)動(dòng)傳動(dòng)裝置控制。其角度精度和響應(yīng)時(shí)間是非常關(guān)鍵的性能參數(shù)。為了獲得良好的伺服控制效果，除了優(yōu)化軟件算法外，調(diào)整機(jī)械結(jié)構(gòu)也同樣重要。

舵機(jī)轉(zhuǎn)向的“負(fù)荷”與前輪，整個(gè)車身和地面的摩擦系數(shù)有關(guān)。只有在底盤穩(wěn)定的情況下，車身的重心才是適當(dāng)?shù)?，輪胎與地面之間的摩擦才足夠，轉(zhuǎn)向器的齒輪精度才足夠，前輪的轉(zhuǎn)向是否靈活等。同時(shí)，從轉(zhuǎn)向器接收到旋轉(zhuǎn)控制信號(hào)到響應(yīng)輸出需要一定的時(shí)間，容易引起實(shí)時(shí)控制滯后。這可能會(huì)導(dǎo)致智能汽車發(fā)送的行駛路線出現(xiàn)巨大偏差，在低速行駛時(shí)可以通過及時(shí)糾正來(lái)彌補(bǔ)，但是一旦汽車高速行駛，就會(huì)引起誤判，從而導(dǎo)致有效的轉(zhuǎn)向。跟蹤為時(shí)已晚，無(wú)法修改。為了解決該問題，前輪轉(zhuǎn)向通過連桿傳動(dòng)裝置進(jìn)行控制，并且設(shè)計(jì)具有最合適長(zhǎng)度的杠桿臂來(lái)彌補(bǔ)該缺點(diǎn)并提高伺服器的響應(yīng)速度。

通過反復(fù)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和理論分析。最后，最終確定了合適的一對(duì)轉(zhuǎn)向齒輪臂，以使轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)彎靈活，輕便，同時(shí)確保轉(zhuǎn)向齒輪不會(huì)損失太多，并且會(huì)延遲轉(zhuǎn)向齒輪的使用壽命。

6 結(jié)束語(yǔ)

本章重點(diǎn)介紹智能汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化的具體實(shí)現(xiàn)過程。剛開始時(shí)，機(jī)械結(jié)構(gòu)并未得到優(yōu)化，僅著眼于設(shè)備布局的合理規(guī)劃。從攝像機(jī)的初始位置到安裝多個(gè)電路板，在中間調(diào)整諸如前輪的趾部和主銷的傾斜度等參數(shù)。機(jī)械結(jié)構(gòu)的真正大規(guī)模調(diào)整實(shí)際上是在稍后階段進(jìn)行的。通過實(shí)驗(yàn)證明，良好的機(jī)械結(jié)構(gòu)確實(shí)可以為加速智能汽車提供保證。經(jīng)過多次細(xì)節(jié)優(yōu)化，智能汽車模型在行駛過程中表現(xiàn)出非常流暢的性能，同時(shí)減少了齒輪嚙合問題所引起的噪音，進(jìn)一步提高了轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，改進(jìn)了車身很少發(fā)抖的情況。

參考文獻(xiàn)：

[1]王盼寶.智能車制作[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017.