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第八届全国大学生智能汽车竞赛技术报告

模块化处理，尽量降低并合理调整车体重心。为此，我们将电路板体积做到了最小，在双面板情况下集成度做到了最高；选用轻质单板CMOS摄像头；选用轻质碳素合金支杆安装摄像头；尽可能的降低了摄像头高度；微控制板与大功率驱动板分开安装。

图1.1 智能车整体结构布局

1.3 文章结构

技术报告分七个章节：第一章节主要是对模型车设计制作的主要思路以及实现的技术方案概要说明，提出技术报告的行文框架。第二章介绍了赛车机械改造的总体思路，并详细说明了机械结构调整情况。第三章说明赛车系统的硬件设计实现。第四章说明方向控制和速度控制算法设计。第五章介绍仿真和调试的方法。第六章是赛车的具体参数。第七章总结了整个制作过程中的创新点和不足之处，提出了下届备赛过程的努力方向。

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第二章 机械结构调整

第二章 机械结构调整

2.1 整体思路

关于赛车机械结构的调整，我们主要从以下两个个方面考虑：

① 车体重量：比赛规则规定，智能车的驱动电机和传动机构不允许更改，意味着赛车的最大驱动力是一定的。要想提高赛车的平均速度，必须提高其加速和制动性能，在驱动力一定的情况下，尽量减轻车体的重量是必要的，我们将电路板体积做到了最小，在双面板情况下集成度做到了最高；

②重心安排：导引线弯道的最小半径为0.5米，要使得智能车能在弯道上高速通过，必须防止侧滑和侧翻，尤其是侧翻。重心位置是影响侧翻的最关键的因素，所以设计中应尽量降低智能车的重心。为此，传感器选用轻质CMOS摄像头；选用轻质碳素合金支杆安装摄像头；尽可能的降低了摄像头高度；微控制板与大功率驱动板放在了一起，以减小电路板体积，达到减轻重量的效果。

2.2 底盘调整

在独立悬架下摆臂与底板之间可以通过增减垫片来调整底盘离地间隙。垫片有1mm和2mm两种规格。一片垫片不加，车前部离地间隙为9mm，故离地间隙的调整范围为9~12mm。由于采用CMOS摄像头式布置结构，为保证车模高速行驶时的稳定性并降低重心，将底盘离地间隙设为最低9mm。

2.3 后轮定位调整

调试中发现，在赛车过弯时，转向舵机的负载会因为车轮转向角度的增大而增大。后轮定位可保证转向的稳定性，定位是由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束四个因素决定的。

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第二章 机械结构调整

2.3.1 主销后倾角

主销后倾角是指在纵向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角。它在车辆转弯时会产生与车轮偏转方向相反的回正力矩，使车轮自动恢复到原来的中间位置上。所以，主销后倾角越大，车速越高，前轮自动回正的能力就越强，但是过大的回正力矩会使车辆转向沉重。通常主销后倾角值设定在1°到3°。

模型车通过增减黄色垫片的数量来改变主销后倾角的，由于竞赛所用的转向舵机力矩不大，过大的主销后倾角会使转向变得沉重，转弯反应迟滞，所以设置为0°，以便增加其转向的灵活性。

2.3.2 主销内倾角

主销内倾角是指在横向平面内主销轴线与地面垂直线之间的夹角，它的作用也是使前轮自动回正。角度越大前轮自动回正的作用就越强，但转向时也就越费力，轮胎磨损增大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。通常汽车的主销内倾角不大于8°，主销内倾的调整应该保持在一个合适的范围，―一般来说0~8 度范围内皆可‖。在实际的调整中，只要将角度调整为5 度左右就会对于过弯性能有明显的改善。如果赛道比较滑，可以将这个角度再调节的大一些。在实际制作中，这个角度调节为8 度左右。对于模型车，通过调整前桥的螺杆的长度可以改变主销内倾角的大小，由于过大的内倾角也会增大转向阻力，增加轮胎磨损，所以在调整时可以近似调整为0°~3°左右，不宜太大。

2.3.3 车轮外倾角

车轮外倾角是指通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角，对汽车的转向性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转向安全性和转向操纵的轻便性。在汽车的横向平面内，轮胎呈―八‖字型时称为―负外倾‖，而呈现―V‖字形张开时称为正外倾。如果车轮垂直地面一旦满载就易产生变形，可能引

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第二章 机械结构调整

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正外倾角度，一般这个角度约在1°左右，以减少承载轴承负荷，增加零件使用寿命，提高汽车的安全性能。

模型车提供了专门的外倾角调整配件，近似调节其外倾角。由于竞赛中模型主要用于竞速，所以要求尽量减轻重量，其底盘和前桥上承受的载荷不大，所以外倾角调整为0°即可。

2.4 舵机安装

2.4.1 舵机延时分析

舵机的响应时间对于控制非常重要，舵机能够及时响应微控制器发出的指令并产生相应的动作可以保障智能车在高速行驶过程中能够及时转弯，不脱离轨道。否则，即使控制算法再好，输出控制信号后，执行器（舵机）没有动作，则也达不到预期的控制效果。例如，微控制器已经根据赛道信息发出了转弯指令，但舵机响应控制信号延迟，则会出现已经到了弯道跟前，但是舵机却还没有转动的情况，智能车在惯性的作用下依旧向前冲，等舵机转动时小车车身已经偏离出轨道了。情况好的，在减速刹车后经过一段时间还能转回来，驶上正常的轨道；情况坏的则会冲出赛道，导致摄像头检测不到正确的赛道信息，不能够继续行驶。

在之前的比赛中，有很多队伍都提到了舵机的响应会滞后，但是没有分析原因，导致有些队伍无法对症下药，不得不以牺牲速度为代价，来换取智能车平安完成比赛。在此，我们对舵机延时的原因做一个比较详细的分析，以便做出相应的改进。

① 微控制器输出周期延时

前面已经提及，我们利用K60微控制器内部集成的PWM模块产生周期一定，占空比（及脉宽）可调的PWM波形。而控制PWM波周期和占空比是通过K60微控制器的一个16位的内部寄存器来实现的，它们是PWMPERx（PWM Period）和 PWMDTYx（PWM Duty），其中x代表0~7通道的序号。设定好这

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第二章 机械结构调整

两个寄存器的值后（具体的设置还与系统总线频率和其它寄存器的值相关），对应的通道就会一直输出一个固定频率的PWM波，直到改变这两个寄存器的值为止[5]。

当智能车检测到前方有弯道时，经过运算得出需要的占空比和所对应的寄存器的值，将这个值赋给PWMDTYx寄存器，随后输出PWM波的占空比就会发生相应的改变。但是，当在软件中改变了PWMDTYx寄存器中的值后，输出PWM波的占空比并不会立刻改变。PWMDTYx寄存器为双缓冲结构，由于K60微控制器内部硬件结构的原因，当在PWM信号输出过程中进行写操作时，写入的值将进入缓冲器，而不是直接进入该寄存器，直到通道被禁止或当前周期结束，计数器重新被写入（计数器回0）时才能进入该寄存器。这样设计的目的，虽然是为了避免输出变化着的不稳定的PWM波形，但是却产生了延时，如图2.1所示。

假设我们产生的PWM波的频率是300Hz，即周期为3.3ms。我们在软件中运算得出需要的占空比对应的PWMDTYx寄存器的值，并将其赋值给PWMDTYx寄存器，如果这一时刻在A点，即一个周期刚开始的时刻，那么我们运算得出的结果将要在缓冲器中保存3.3ms，在下一周期开始时才进入PWMDTYx寄存器，使占空比变成我们计算出的结果；如果那一时刻刚好在C点，即一个周期即将结束的时刻，那么我们运算的结果能够立刻进入PWMDTYx寄存器，使下一周期的占空比发生变化；而通常这一时刻则在B点，即3.3ms中的任意一点。因此，这就是第一次延时产生的原因所在。根据上面的叙述，当PWM波周期为3.3ms，产生的延迟时间为0～3.3ms。我们将这个延时叫做微控制器输出周期延时。

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