智能模型車底盤技術(shù)

　 摘要：本文針對(duì)智能車比賽用模型車底盤，從汽車?yán)碚摰慕嵌葘?duì)轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)、車輛的重心選擇、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、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?yán)碚摰慕嵌葘?duì)轉(zhuǎn)向輪定位、車輛的重心選擇、側(cè)滑等原理加以介紹，并針對(duì)比賽用模型車底盤進(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、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。

　　汽車底盤相關(guān)性能

　　轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)

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

　　主銷后傾角

　　主銷后傾角在車輪偏轉(zhuǎn)后形成一回正力矩，阻礙車輪偏轉(zhuǎn)。主銷后傾角越大，車速愈高，車輪偏轉(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°。

　　主銷內(nèi)傾角

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

　　前輪外傾角

　　在汽車的橫向平面內(nèi)，前輪中心平面向外傾斜一個(gè)角度，稱為前輪外傾角。前輪外傾角一方面可以使車輪接近垂直路面滾動(dòng)而滑動(dòng)減小轉(zhuǎn)向阻力，使汽車轉(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)向要求的車輛，前輪外傾角可減小甚至為負(fù)值。

　　前輪前束

　　俯視車輪，汽車的兩個(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)象稱為前輪前束。車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)汽車性能的影響

　　汽車重心的位置通常用重心距前軸中心線的水平距離和重心距水平路面的高度來(lái)表示。可通過(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

　　汽車正常行駛必須滿足驅(qū)動(dòng)－附著條件：

　　即汽車的驅(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的同步附著系數(shù)（β為前制動(dòng)力占整車制動(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)盡可能保證模型車的重心垂直位置盡量的低，水平位置應(yīng)在車中線上靠近后軸。

　　汽車側(cè)滑

　　為保證汽車轉(zhuǎn)向車輪無(wú)橫向滑移的直線滾動(dòng)，要求車輪外傾角和車輪前束有適當(dāng)配合，當(dāng)車輪前束值與車輪外傾角匹配不當(dāng)時(shí)，車輪就可能在直線行駛過(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)，將破壞車輪的附著條件，使汽車喪失定向行駛能力。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類側(cè)滑來(lái)補(bǔ)償外傾產(chǎn)生的W類側(cè)滑是基本手段。Q類側(cè)滑的性質(zhì)為：側(cè)滑大小等于前束角大小；側(cè)滑方向與前束角方向相反，與車輛行駛方向有關(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，如本車模的雙橫臂式獨(dú)立懸架車橋車輪的隨機(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角度，合理搭配主銷內(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。

　　模型車底盤性能

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

　　圖1前輪前束調(diào)整

　　主銷后傾角

　　可以通過(guò)增加墊片的數(shù)量來(lái)增大主銷后傾角，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，若欲使之轉(zhuǎn)向靈活，主銷后傾角可選；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?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)的車速限制有一定的參考意義。

　　模型車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向測(cè)試

　　本節(jié)探討舵機(jī)PWM占空比與車速、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)彎半徑與車速大致呈線性關(guān)系。

　　根據(jù)模型車的相關(guān)數(shù)據(jù)由下式可算得理論轉(zhuǎn)彎半徑為275mm。該值與模型車試驗(yàn)中0.31m/s時(shí)的轉(zhuǎn)彎半徑相近；當(dāng)模型車車速>1.4m/s后開始出現(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)智能車比賽用模型車的轉(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，給出了模型車相關(guān)參數(shù)的調(diào)整建議。由于上述模型車關(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。