飛思卡爾杯B型車(chē)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

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飛思卡爾杯B型車(chē)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(mén) 廣東 529020）

針對(duì)B型車(chē)模存在的底盤(pán)太高、減震器過(guò)于靈敏、舵機(jī)響應(yīng)慢、測(cè)速碼盤(pán)安裝不便等問(wèn)題，經(jīng)過(guò)系列改進(jìn)，通過(guò)壓縮彈簧以降低底盤(pán)重心和減輕減震太軟帶來(lái)的震蕩；選擇合理的定位參數(shù)，提高了小車(chē)行走的穩(wěn)定性及控制的靈敏度；舵機(jī)、測(cè)速碼盤(pán)合理安裝，提高舵機(jī)響應(yīng)速度，為智能車(chē)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(chē)大賽；B型車(chē)模；底盤(pán)調(diào)整；四輪定位

“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能車(chē)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(kāi)始，大賽要求光電組和攝像頭組使用B型車(chē)模. B型車(chē)模由玩具遙控越野車(chē)模改造而來(lái)，對(duì)于需要快速反應(yīng)的競(jìng)速型比賽，B型車(chē)模存在不少問(wèn)題，如底盤(pán)太高、減震器過(guò)于靈敏、舵機(jī)響應(yīng)慢、測(cè)速碼盤(pán)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(chē)模做技術(shù)改進(jìn)，本文針對(duì)上述問(wèn)題開(kāi)展了B型車(chē)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(pán)重心及減震的調(diào)整

重心位置直接影響小車(chē)在高速過(guò)彎時(shí)的安全性能，重心太高會(huì)嚴(yán)重影響小車(chē)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(chē)模在不加負(fù)載時(shí)底盤(pán)重心已高達(dá)3.05cm，這將嚴(yán)重限制小車(chē)的轉(zhuǎn)彎速度；同時(shí)越野減震器太靈敏、起步剎車(chē)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(chē)的速度和安全性，需要對(duì)B型車(chē)模進(jìn)行底盤(pán)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(zhǎng)度較短或彈性較硬的彈簧；

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

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

D．通過(guò)調(diào)整前后橋上的一粒內(nèi)六角螺絲來(lái)調(diào)整車(chē)身高度；

E．壓縮彈簧. 拆開(kāi)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)大使車(chē)模底盤(pán)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(lái)的4.63 cm縮短為4.10 cm（如圖1-b），小車(chē)后座的底盤(pán)由原來(lái)的3.05 cm降到了2.15 cm，前底盤(pán)降到1.75 cm.

通過(guò)加裝墊片的數(shù)量及厚度可以任意調(diào)整螺桿的長(zhǎng)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(guò)于靈敏的問(wèn)題，減少了行駛過(guò)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(chē)模重心的同時(shí)，底盤(pán)不易過(guò)低. 為了增強(qiáng)爬坡時(shí)的穩(wěn)定性，車(chē)的后底盤(pán)應(yīng)略高于前底盤(pán)，使重心前傾. 改造后，小車(chē)后底盤(pán)比前底盤(pán)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(xiāo)內(nèi)傾角、主銷(xiāo)后傾角、前輪外傾角和前輪前束角等4個(gè)參數(shù)來(lái)決定，這些參數(shù)的調(diào)整對(duì)智能車(chē)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(xiāo)后傾角. 設(shè)置主銷(xiāo)后傾角使車(chē)輪的方向自然朝向行駛方向，設(shè)定很大的主銷(xiāo)后傾角可提高小車(chē)的直線行駛性能，同時(shí)增大主銷(xiāo)縱傾移距. B型車(chē)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(mǎn)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(xiāo)內(nèi)傾角. 主銷(xiāo)內(nèi)傾角使主銷(xiāo)軸線與路面的交點(diǎn)到車(chē)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(pán)上的力，使轉(zhuǎn)向操縱輕便[1]. 主銷(xiāo)內(nèi)傾角不宜過(guò)大，否則會(huì)加速輪胎的磨損、降低輪胎的附著力. B型車(chē)?？梢酝ㄟ^(guò)改變減震彈簧上端的固定點(diǎn)對(duì)主銷(xiāo)內(nèi)傾角進(jìn)行調(diào)整. 為了減少整車(chē)的震動(dòng)，此次調(diào)整把主銷(xiāo)內(nèi)傾角調(diào)為5°（見(jiàn)圖3），把彈簧上端固定在頂端固定孔，以降低底盤(pán)重心. 減輕舵機(jī)負(fù)載、提高舵機(jī)的靈敏度，使小車(chē)行駛更加穩(wěn)定.

圖2 B型車(chē)模前輪主銷(xiāo)后傾角

圖3 B型車(chē)模前輪主銷(xiāo)內(nèi)傾角

3）前輪外傾角. 從前后方向看車(chē)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(kāi)，稱(chēng)為負(fù)外傾，而朝反方向張開(kāi)時(shí)稱(chēng)正外傾. 由于輪胎的寬度比較大（達(dá)到2.8 cm），輪胎與車(chē)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(guò)快及附著力不足，經(jīng)測(cè)試-2°為較理想前輪外傾角（見(jiàn)圖4）.

圖4 B型車(chē)模前輪外傾角

圖5 B型車(chē)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(chē)輪向外側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì). 前束角不當(dāng)，不僅磨損車(chē)模，而且影響舵機(jī)以及整車(chē)的穩(wěn)定性. 經(jīng)測(cè)試，小車(chē)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(jiàn)圖5）.

前輪的4個(gè)定位參數(shù)對(duì)小車(chē)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(guò)多次測(cè)試、對(duì)比才能使小車(chē)的控制達(dá)到最佳效果.

3 舵機(jī)的安裝

B型車(chē)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(zhǎng)，因此經(jīng)過(guò)理論推算及試驗(yàn)，提出了2套改進(jìn)方案：

1）用鋁片加長(zhǎng)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(guò)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(chē)震動(dòng)以及固定桿的損壞，如圖6-a.

2）參考A型車(chē)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(chē)模舵機(jī)安裝方法

舵機(jī)改動(dòng)前后的性能比較見(jiàn)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(shì)更加明顯.

表1 舵機(jī)改裝效果比較

4 測(cè)速碼盤(pán)的安裝

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

4.1 測(cè)速電路

光電傳感器采集回來(lái)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(pán)制作

首先用AutoCAD設(shè)計(jì)碼盤(pán)樣圖，尺寸大小如圖8-a. 為了保證碼盤(pán)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(lái)的32扇的碼盤(pán).

圖8 碼盤(pán)的制作

4.3 碼盤(pán)的安裝及測(cè)試

B型車(chē)模有2個(gè)地方比較適合安裝碼盤(pán)：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(wèn)題，無(wú)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(pán)與車(chē)模的其他部件之間的空隙，否則高速旋轉(zhuǎn)的碼盤(pán)可能會(huì)損壞傳動(dòng)齒輪和周?chē)考? 經(jīng)測(cè)試（結(jié)果見(jiàn)表2），該測(cè)速碼盤(pán)可以滿(mǎn)足小車(chē)測(cè)速要求，實(shí)驗(yàn)證明，該方法完全能勝任小車(chē)PID控制速度反饋，并且效果很好.

表2 1 s內(nèi)碼盤(pán)在不同占空比下所測(cè)的脈沖數(shù)

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)B型車(chē)模一系列的改進(jìn)后，車(chē)模底盤(pán)重心明顯降低、減震器彈性更加穩(wěn)定，小車(chē)后座的底盤(pán)由原來(lái)的3.05 cm降到了2.15 cm、前底盤(pán)降到1.75 cm；舵機(jī)左右極限響應(yīng)時(shí)間由原來(lái)的500 ms減少到125 ms，響應(yīng)速度比改前快3倍多；32扇測(cè)速碼盤(pán)的安裝到位，1 s內(nèi)所測(cè)脈沖數(shù)達(dá)到4 500個(gè). 這些改進(jìn)為智能車(chē)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(chē)模在第5屆飛思卡爾杯全國(guó)智能車(chē)大賽中榮獲華南賽區(qū)二等獎(jiǎng).

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

[2] 卓晴，黃開(kāi)勝，邵貝貝，等. 學(xué)做智能車(chē)：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.