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图2.1 PWM波占空比改变示意图

② 舵机机械延时

由于舵机内部具有小型直流电机、级联减速齿轮组、位置反馈电位器等机械装置，因此不可能瞬间达到我们所期望的输出角度，这就是影响舵机控制特性的一个主要参数即响应速度，也叫做舵机输出轴转动角速度，这个参数一般以舵机空载时输出转盘旋转60°所需要的时间表示。大赛指定使用的舵机工作电压范围为5V左右，在4.8V时，响应速度时0.20sec60 degrees，在5.5V时，响应速度为0.16sec60 degrees。而带了负载之后，响应速度还会略微下降。由此可知，舵机转动一定角度有时间延迟，时间延迟正比于旋转过的角度，反比于舵机的响应速度。例如，当舵机收到从0°转动到60°的信号时，要经过160ms才会达到我们预期的角度值。我们将这部分延时叫做舵机机械延时。

2.4.2舵机的安装与控制延时解决办法

因此，舵机的控制输出延时由微控制器输出周期延时和舵机机械延时两部分组成，由上分析可知，延时最大时会达到将近3.3ms+160ms=163.3ms。可以说，舵机的响应速度直接影响智能车通过弯道时的最高速度。因此提高舵机的响应速度是提高智能车平均速度的一个关键。根据以上的分析，提出以下几个解决办法：

1. 提高PWM波频率。指定舵机可接收的PWM信号频率范围为50 – 300Hz，对应的周期为20ms – 3.3ms，通过上述分析可知，频率越高，微控制器输出周期延时就越短，因此我们在设置K60微控制器PWM模块输出信号时选用300Hz的频率，可以有效减少延迟时间。

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图2.2 舵机安装方式

2. 提高舵机工作电压。在上述分析中可以看出，工作电压越高，响应速度则越快，我们使用电池电压为7.2V，略高于舵机标定的工作电压范围，但是可以直接舵机供电。如此一来，舵机的响应速度还可以进一步提高，大约为0.1sec60 degrees。

3. 安装更长的舵机输出臂。采用杠杆原理，在舵机的输出舵盘上安装一个较长的输出臂，将转向传动杆连接在输出臂末端。这样就可以在舵机输出较小的转角下，取得较大的前轮转角，从而提高了整个车模转向控制的速度。如图2.3所示，这种方法是通过机械方式，利用舵机的输出转距余量，将角度进行放大，加快了舵机响应速度[4]。

2.5摄像头支架的设计安装

赛车CMOS图像传感器的架设主要考虑以下几个因素：

1、确保CMOS图像传感器位置的居中且正对前方。因为当CMOS图像传感器不居中，其采集进来的图像也不是居中的，而处理程序对舵机输出量是居中的，这样就会导致智能车在直道上也偏离赛道中央，即使可以通过程序校正，也会导致扫描到的图像面积左右不

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对称，会浪费一部分图像信息。

2、CMOS图像传感器的安装高度要足够高。这样可以使得智能车在CMOS图像传感器的安装角度不是很大的情况下就能够前瞻到前方足够远处的路况信息。因为当摄像头的角度过大时候，采集进来的图像形变过大，且图像中的干扰信息增多，对模型车的处理算法十分的不利。而且当摄像头的安装位置较高时，所能扫描到的图像靠近智能车的部分范围较大，当智能车偏离赛道一定距离时，依然可以扫描到黑线，这样会便于图像的算法处理。一般要求该范围为45cm宽。

3、CMOS图像传感器的安装是可调整的。这样以便于CMOS图像传感器居中的校正，以及在实际调试中选择最佳探测角度，以及对CMOS图像传感器视野范围进行标定。经过多次的实验和总结，我们对CMOS图像传感器的远度进行了标定，对CMOS图像传感器的采集的图像信息进行了中心位置的校正。将CMOS图像传感器的视频信息通过视频采集卡传到计算机中，通过调节CMOS图像传感器各个旋转变量使得摄像头的图像位置居中。校正后的摄像头能够采集到小车前方上底为60cm，下底为240cm，高为220cm的近似等腰梯形图像。

经过上述设计，前轮的静态侧翻极限是55 度，后轮的侧翻极限是70度，而在赛道上侧滑极限一般不会超过50度，所以赛车在侧向加速度很大的极限情况下会先发生侧滑而不会发生侧翻。

2.6 电路板安装

电路板应安装于智能车的最低的部位，并且固定于底盘。由于电池的安装后移了6cm，考虑到赛车的空间，PCB板应设计成长方形以便于安装。PCB设计形状示意如图2.3 所示。这个形状有利于电路板的安装，同时防止了前轮转角过大时与电池接触。

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图2.3 电路板的形状与安装

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第三章 硬件设计

3.1 总体方案

系统硬件电路主要由一块PCB板构成，集成了整个系统的逻辑电路和驱动电路。主控制芯片采用官方推荐的32位微控制器MK60DN512，但速度很高且工作性能较稳定。主电机驱动电路采用BTN7971B搭建的H桥电路，该驱动电路导通内阻小，能承载的电流大，相比之下赛车可获得更大的加速度和直道上限速度。

3.2 电源模块

由于电源对高频干扰具有较强的抑制作用。同时由于其低功耗特点，在进行电路板设计时，可以减少散热片的体积和PCB 板的面积，有时甚至不需要加装散热片，方便了电路设计与使用，提高了稳定性能。

3.2.1 电机供电与单片机供电分离电路

主电机在启动的瞬间和反转的瞬间会产生高达20A的冲击电流。由于对赛车速度的控制采用的是bang－bang控制，因此在赛车的行驶的过程中始终存在较大的电流波动。而主电机和单片机都是由单独电池供电，若在主电机电源和单片机电源系统之间不加任何隔离措施，有可能导致在赛车行驶的过程中单片机复位，这是绝对不允许的。所以在主电机电源和单片机电源系统之间加了一极π型滤波器。电路图如图3.2所示。

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