智能模型車(chē)底盤(pán)技術(shù)

　 摘要：本文針對(duì)智能車(chē)比賽用模型車(chē)底盤(pán)，從汽車(chē)?yán)碚摰慕嵌葘?duì)轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)、車(chē)輛的重心選擇、側(cè)滑等原理進(jìn)行了介紹，并通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)、舵機(jī)性能以及模型車(chē)轉(zhuǎn)向穩(wěn)態(tài)性的測(cè)試，得出了這些調(diào)整參數(shù)之間的影響規(guī)律，可以為相關(guān)參賽隊(duì)伍在算法制定、仿真參數(shù)設(shè)定以及底盤(pán)、舵機(jī)等硬件結(jié)構(gòu)調(diào)整、優(yōu)化等方面提供一定的參考。

　　關(guān)鍵詞：前輪定位；舵機(jī)；轉(zhuǎn)向；轉(zhuǎn)彎半徑

　　引言

　　本文從汽車(chē)?yán)碚摰慕嵌葘?duì)轉(zhuǎn)向輪定位、車(chē)輛的重心選擇、側(cè)滑等原理加以介紹，并針對(duì)比賽用模型車(chē)底盤(pán)進(jìn)行了一系列測(cè)試，包括轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)的選擇、舵機(jī)性能測(cè)試以及模型車(chē)轉(zhuǎn)向穩(wěn)態(tài)測(cè)試，得出了這些調(diào)整參數(shù)之間的影響規(guī)律，希冀能夠給相關(guān)參賽隊(duì)伍在算法制定、仿真參數(shù)設(shè)定以及底盤(pán)、舵機(jī)等硬件結(jié)構(gòu)調(diào)整、優(yōu)化等方面提供一定的參考。

　　汽車(chē)底盤(pán)相關(guān)性能

　　轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)

　　對(duì)于汽車(chē)而言，要保持車(chē)輛直線(xiàn)行駛的穩(wěn)定性，使之轉(zhuǎn)彎自動(dòng)回正、轉(zhuǎn)向輕便，必須確定車(chē)輪定位參數(shù)，包括主銷(xiāo)后傾、主銷(xiāo)內(nèi)傾、前輪外傾和前輪前束。

　　主銷(xiāo)后傾角

　　主銷(xiāo)后傾角在車(chē)輪偏轉(zhuǎn)后形成一回正力矩，阻礙車(chē)輪偏轉(zhuǎn)。主銷(xiāo)后傾角越大，車(chē)速愈高，車(chē)輪偏轉(zhuǎn)后自動(dòng)回正力越強(qiáng)，但回正力矩過(guò)大，將會(huì)引起前輪回正過(guò)猛，加速前輪擺振，并使轉(zhuǎn)向沉重。通常后傾角為1°～3°。

　　主銷(xiāo)內(nèi)傾角

　　在汽車(chē)前后方向上，主銷(xiāo)向內(nèi)傾斜一個(gè)角度，主銷(xiāo)軸線(xiàn)與垂線(xiàn)間的夾角稱(chēng)為主銷(xiāo)內(nèi)傾角。當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向輪在外力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，由于主銷(xiāo)內(nèi)傾，則車(chē)輪連同整個(gè)汽車(chē)的前部將被抬起一定高度，在外力消失后，車(chē)輪就會(huì)在重力作用下力圖恢復(fù)到原來(lái)的中間位置。通常主銷(xiāo)內(nèi)傾角不大于8°。

　　前輪外傾角

　　在汽車(chē)的橫向平面內(nèi)，前輪中心平面向外傾斜一個(gè)角度，稱(chēng)為前輪外傾角。前輪外傾角一方面可以使車(chē)輪接近垂直路面滾動(dòng)而滑動(dòng)減小轉(zhuǎn)向阻力，使汽車(chē)轉(zhuǎn)向輕便；另一方面減少了軸承及其鎖緊螺母的載荷，增加了使用壽命，提高了安全性。一般前輪外傾角為1°左右，但對(duì)于有高速、急轉(zhuǎn)向要求的車(chē)輛，前輪外傾角可減小甚至為負(fù)值。

　　前輪前束

　　俯視車(chē)輪，汽車(chē)的兩個(gè)前輪的旋轉(zhuǎn)平面并不完全平行，而是稍微帶一些角度，這種現(xiàn)象稱(chēng)為前輪前束。車(chē)輪前束的作用是減輕或消除因前輪外傾角所造成的不良后果，二者相互協(xié)調(diào)，保證前輪在汽車(chē)行駛中滾動(dòng)而無(wú)滑動(dòng)。前輪前束一般為0～12mm。而現(xiàn)代汽車(chē)的前輪外傾角出現(xiàn)減小甚至為負(fù)值的趨勢(shì)，前輪前束也應(yīng)相應(yīng)減小甚至也為負(fù)值。

　　重心位置對(duì)汽車(chē)性能的影響

　　汽車(chē)重心的位置通常用重心距前軸中心線(xiàn)的水平距離和重心距水平路面的高度來(lái)表示?？赏ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)法、估算法測(cè)出重心位置。

　　對(duì)動(dòng)力性能的影響

　　汽車(chē)正常行駛必須滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)－附著條件：

　　即汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)力必須大于等于坡度阻力、滾動(dòng)阻力、空氣阻力之和而等于汽車(chē)驅(qū)動(dòng)輪的附著力。附著力與路面附著系數(shù)和驅(qū)動(dòng)軸的軸荷有關(guān)，而驅(qū)動(dòng)軸的軸荷取決于重心的水平位置，故重心位置必須保證驅(qū)動(dòng)輪能夠提供足夠的附著力。僅從此方面考慮，重心越靠近驅(qū)動(dòng)軸越好。

　　對(duì)制動(dòng)性能的影響

　　汽車(chē)制動(dòng)性要求制動(dòng)減速度大、制動(dòng)距離短，有良好的制動(dòng)方向穩(wěn)定性，即不易發(fā)生前輪喪失轉(zhuǎn)向、后輪側(cè)滑和跑偏現(xiàn)象。制動(dòng)方向的穩(wěn)定性與前后輪的抱死次序有關(guān)，而抱死次序則與重心位置有關(guān)，若重心位置保證汽車(chē)的同步附著系數(shù)（β為前制動(dòng)力占整車(chē)制動(dòng)器制動(dòng)力比例，b為重心到后軸水平距離）等于汽車(chē)常用路面附著系數(shù)，那制動(dòng)穩(wěn)定性即較好；若重心前移，b增大，易發(fā)生后軸側(cè)滑，對(duì)高速汽車(chē)危險(xiǎn)性大；若重心后移，b減小，前輪易喪失轉(zhuǎn)向能力。

　　對(duì)通過(guò)性的影響

　　汽車(chē)在較陡?jìng)?cè)坡行駛或高速急轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，會(huì)發(fā)生側(cè)向傾覆，為避免這種危險(xiǎn)，重心應(yīng)在保證最小離地間隙的前提下盡量降低。

　　綜合上面分析，在加裝諸多電路板后應(yīng)盡可能保證模型車(chē)的重心垂直位置盡量的低，水平位置應(yīng)在車(chē)中線(xiàn)上靠近后軸。

　　汽車(chē)側(cè)滑

　　為保證汽車(chē)轉(zhuǎn)向車(chē)輪無(wú)橫向滑移的直線(xiàn)滾動(dòng)，要求車(chē)輪外傾角和車(chē)輪前束有適當(dāng)配合，當(dāng)車(chē)輪前束值與車(chē)輪外傾角匹配不當(dāng)時(shí)，車(chē)輪就可能在直線(xiàn)行駛過(guò)程中不作純滾動(dòng)，產(chǎn)生側(cè)向滑移現(xiàn)象。這種滑移現(xiàn)象過(guò)于嚴(yán)重時(shí)，將破壞車(chē)輪的附著條件，使汽車(chē)喪失定向行駛能力。側(cè)滑分為以下幾種情況。

　　定向側(cè)滑

　　隨機(jī)側(cè)滑

　　轉(zhuǎn)向側(cè)滑

　　制動(dòng)側(cè)滑

　　汽車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中若前輪先抱死拖滑，則將可能發(fā)生側(cè)滑。

　　可以采取一些補(bǔ)償措施減小側(cè)滑。對(duì)于定向側(cè)滑，用前輪前束產(chǎn)生的Q類(lèi)側(cè)滑來(lái)補(bǔ)償外傾產(chǎn)生的W類(lèi)側(cè)滑是基本手段。Q類(lèi)側(cè)滑的性質(zhì)為：側(cè)滑大小等于前束角大?。粋?cè)滑方向與前束角方向相反，與車(chē)輛行駛方向有關(guān)；與路面質(zhì)量無(wú)關(guān)。對(duì)于隨機(jī)側(cè)滑，主要是從改變獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)入手，如本車(chē)模的雙橫臂式獨(dú)立懸架車(chē)橋車(chē)輪的隨機(jī)側(cè)滑可用四連桿機(jī)構(gòu)綜合理論改變上下橫臂的長(zhǎng)度，使模型行駛過(guò)程中輪距變化不大，從而減小隨機(jī)側(cè)滑。對(duì)于轉(zhuǎn)向側(cè)滑，主要靠選擇合適的主銷(xiāo)角度，合理搭配主銷(xiāo)內(nèi)傾與后傾角，盡可能使轉(zhuǎn)向內(nèi)輪產(chǎn)生外傾或增加外傾，使轉(zhuǎn)向外輪產(chǎn)生內(nèi)傾或減小外傾。

　　模型車(chē)底盤(pán)性能

　　模型車(chē)底盤(pán)采用的是等長(zhǎng)雙橫臂式獨(dú)立懸架（如圖1），當(dāng)車(chē)輪上下跳動(dòng)時(shí)，車(chē)輪平面沒(méi)有傾斜，但輪距會(huì)發(fā)生較大變化，故車(chē)輪發(fā)生側(cè)向滑移的可能性較大。本車(chē)共有6處參數(shù)可調(diào)，其中主銷(xiāo)內(nèi)傾角對(duì)模型車(chē)性能影響不大，可設(shè)為。

　　圖1前輪前束調(diào)整

　　主銷(xiāo)后傾角

　　可以通過(guò)增加墊片的數(shù)量來(lái)增大主銷(xiāo)后傾角，共有4片墊片，前2后2，后傾角為0；前1后3，后傾角為；前0后4，后傾角為。

　　對(duì)于本模型車(chē)，若欲使之轉(zhuǎn)向靈活，主銷(xiāo)后傾角可選；欲增大回正力矩，則后傾角可選。

　　前輪外傾角

　　與模型車(chē)的側(cè)滑關(guān)系較大，需與前輪前束相匹配，可設(shè)為。

　　前輪前束

　　前輪是由舵機(jī)帶動(dòng)左右橫拉桿實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的。主銷(xiāo)在垂直方向的位置確定后，改變左右橫拉桿的長(zhǎng)度即可改變前輪前束的大小。左桿短，可調(diào)范圍為10.8mm～18.1mm；右桿長(zhǎng)，可調(diào)范圍為29.2mm～37.6mm（如圖1紅圈所示）。

　　底盤(pán)離地間隙

　　在獨(dú)立懸架下擺臂與底板之間可以通過(guò)增減墊片來(lái)調(diào)整底盤(pán)前半部分的離地間隙，墊片有1mm和2mm兩種規(guī)格。一片墊片不加，車(chē)前部離地間隙為9mm，故離地間隙的調(diào)整范圍為9mm～12mm。從已有的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，在加裝了傳感器之后，此距離過(guò)小，會(huì)降低模型車(chē)爬坡時(shí)的通過(guò)度；過(guò)大，則會(huì)影響傳感器的靈敏度。

　　后懸掛縱向減震彈簧預(yù)緊力

　　在圖2紅圈處增加墊片即可增大彈簧的預(yù)緊力。

　　圖2懸掛預(yù)緊力調(diào)整

　　舵機(jī)性能測(cè)試

　　在舵機(jī)的軸上連接一個(gè)變阻器，該變阻器有三個(gè)接頭，兩側(cè)的接頭一端接在5V電源上，另一端接地，中間的接頭連在示波器上，示波器測(cè)電壓。當(dāng)舵機(jī)帶動(dòng)前輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，變阻器的阻值隨之改變，示波器的電壓值也發(fā)生變化，即將電壓與舵機(jī)的轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)起來(lái)，這樣，通過(guò)測(cè)量電壓隨時(shí)間的變化即可知舵機(jī)轉(zhuǎn)角的變化率。從試驗(yàn)中可知，舵機(jī)近似勻速地由一側(cè)最大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)至另一側(cè)最大轉(zhuǎn)角。結(jié)合對(duì)前輪最大轉(zhuǎn)角的測(cè)量，可估測(cè)出舵機(jī)的轉(zhuǎn)速約為2.42rad/s-2.52rad/s。由汽車(chē)?yán)碚摰南嚓P(guān)知識(shí)可知，該舵機(jī)性能偏軟，可通過(guò)增大前輪前束來(lái)進(jìn)行調(diào)整。

　　對(duì)舵機(jī)性能的測(cè)試主要用于設(shè)定仿真參數(shù)，同時(shí)估算出的舵機(jī)轉(zhuǎn)速也對(duì)程序相應(yīng)速度和轉(zhuǎn)向時(shí)的車(chē)速限制有一定的參考意義。

　　模型車(chē)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向測(cè)試

　　本節(jié)探討舵機(jī)PWM占空比與車(chē)速、轉(zhuǎn)彎半徑之間的關(guān)系。試驗(yàn)中舵機(jī)PWM占空比設(shè)為6擋，分別以1、2、3、4、5、6表示，數(shù)字越大轉(zhuǎn)角越大。如圖1為舵機(jī)轉(zhuǎn)角為擋位1時(shí)的車(chē)速——轉(zhuǎn)彎半徑對(duì)應(yīng)圖，由試驗(yàn)可知，在相同轉(zhuǎn)角下，轉(zhuǎn)彎半徑與車(chē)速大致呈線(xiàn)性關(guān)系。

　　根據(jù)模型車(chē)的相關(guān)數(shù)據(jù)由下式可算得理論轉(zhuǎn)彎半徑為275mm。該值與模型車(chē)試驗(yàn)中0.31m/s時(shí)的轉(zhuǎn)彎半徑相近；當(dāng)模型車(chē)車(chē)速>1.4m/s后開(kāi)始出現(xiàn)側(cè)滑現(xiàn)象。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文通過(guò)理論分析和試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)智能車(chē)比賽用模型車(chē)的轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)調(diào)整、重點(diǎn)的選擇、側(cè)滑的控制、底盤(pán)高度的調(diào)整、舵機(jī)的轉(zhuǎn)向性能及轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，給出了模型車(chē)相關(guān)參數(shù)的調(diào)整建議。由于上述模型車(chē)關(guān)于轉(zhuǎn)向的參數(shù)是相互影響的，因此本文給出的僅是各參數(shù)的調(diào)整趨勢(shì)，最佳匹配值還需根據(jù)賽道調(diào)試獲得。