智能模型车底盘浅析

rationalz · 发表于 2012-4-13 22:13:54

智能模型车底盘浅析

■ 清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室陈宋李立国黄开胜

摘要：本文针对智能车比赛用模型车底盘，从汽车理论的角度对转向轮定位参数、车辆的重心选择、侧滑等原理进行了介绍，并通过对转向轮定位参数、舵机性能以及模型车转向稳态性的测试，得出了这些调整参数之间的影响规律，可以为相关参赛队伍在算法制定、仿真参数设定以及底盘、舵机等硬件结构调整、优化等方面提供一定的参考。

关键词：前轮定位；舵机；转向；转弯半径

引言
本文从汽车理论的角度对转向轮定位、车辆的重心选择、侧滑等原理加以介绍，并针对比赛用模型车底盘进行了一系列测试，包括转向轮定位参数的选择、舵机性能测试以及模型车转向稳态测试，得出了这些调整参数之间的影响规律，希冀能够给相关参赛队伍在算法制定、仿真参数设定以及底盘、舵机等硬件结构调整、优化等方面提供一定的参考。汽车底盘相关性能转向轮定位参数对于汽车而言，要保持车辆直线行驶的稳定性，使之转弯自动回正、转向轻便，必须确定车轮定位参数，包括主销后倾、主销内倾、前轮外倾和前轮前束。主销后倾角主销后倾角在车轮偏转后形成一回正力矩，阻碍车轮偏转。主销后倾角越大，车速愈高，车轮偏转后自动回正力越强，但回正力矩过大，将会引起前轮回正过猛，加速前轮摆振，并使转向沉重。通常后倾角为1°~3°。主销内倾角在汽车前后方上，主销向内倾斜一个角度，主销轴线与垂线间的夹角称为主销内倾角。当汽车转向轮在外力作用下发生偏转时，由于主销内倾, 则车轮连同整个汽车的前部将被抬起一定高度，在外力消失后，车轮就会在重力作用下力图恢复到原来的中间位置。通常主销内倾角不大于8°。前轮外倾角在汽车的横向平面内，前轮中心平面向外倾斜一个角度，称为前轮外倾角。前轮外倾角一方面可以使车轮接近垂直路面滚动而滑动减小转向阻力，使汽车转向轻便；另一方面减少了轴承及其锁紧螺母的载荷，增加了使用寿命，提高了安全性。一般前轮外倾角为1°左右，但对于有高速、急转向要求的车辆，前轮外倾角可减小甚至为负值。

前轮前束

俯视车轮，汽车的两个前轮的旋转平面并不完全平行，而是稍微带一些角度，这种现象称为前轮前束。车轮前束的作用是减轻或消除因前轮外倾角所造成的不良后果，二者相互协调，保证前轮在汽车行驶中滚动而无滑动。前轮前束一般为0~12mm。而现代汽车的前轮外倾角出现减小甚至为负值的趋势，前轮前束也应相应减小甚至也为负值。重心位置对汽车性能的影响汽车重心的位置通常用重心距前轴中心线的水平距离和重心距水平路面的高度来表示。可通过实验法、估算法测出重心位置。??对动力性能的影响汽车正常行驶必须满足驱动－附着条件：即汽车的驱动力必须大于等于坡度阻力、
滚动阻力、空气阻力之和而等于汽车驱动轮的附着力。附着力与路面附着系数和驱动轴的轴荷有关，而驱动轴的轴荷取决于重心的水平位置，故重心位置必须保证驱动轮能够提供足够的附着力。仅从此方面考虑，重心越靠近驱动轴越好。

对制动性能的影响
汽车制动性要求制动减速度大、制动距离短，有良好的制动方向稳定性，即不易发生前轮丧失转向、后轮侧滑和跑偏现象。制动方向的稳定性与前后轮的抱死次序有关，而抱死次序则与重心位置有关，若重心位置保证汽车的同步附着系数(β为前制动力占整车制动器制动力比例，b为重心到后轴水平距离)等于汽车常用路面附着系数，那制动稳定性即较好；若重心前移，b增大，易发生后轴侧滑，对高速汽车危险性大；若重心后移，b减小，前轮易丧失转向能力。

对通过性的影响
汽车在较陡侧坡行驶或高速急转弯行驶时，会发生侧向倾覆，为避免这种危险，重心应在保证最小离地间隙的前提下尽量降低。综合上面分析，在加装诸多电路板后应尽可能保证模型车的重心垂直位置尽量的低，水平位置应在车中线上靠近后轴。汽车侧滑为保证汽车转向车轮无横向滑移的直线滚动，要求车轮外倾角和车轮前束有适当配合，当车轮前束值与车轮外倾角匹配不当时，车轮就可能在直线行驶过程中不作纯滚动，产生侧向滑移现象。这种滑移现象过于严重时,将破坏车轮的附着条件，使汽车丧失定向行驶能力。侧滑分为以下几种情况。
??定向侧滑
??随机侧滑
??转向侧滑
??制动侧滑
汽车在制动过程中若前轮先抱死拖滑，则将可能发生侧滑。可以采取一些补偿措施减小侧滑。对于定向侧滑，用前轮前束产生的Q类侧滑来补偿外倾产生的W 类侧滑是基本手段。Q 类侧滑的性质为：侧滑大小等于前束角大小；侧滑方向与前束角方向相反，与车辆行驶方向有关；与路面质量无关。对于随机侧滑，主要是从改变独立悬架结构入手，如本车模的双横臂式独立悬架车桥车轮的随机侧滑可用四连杆机构综合理论改变上下横臂的长度，使模型行驶过程中轮距变化不大，从而减小随机侧滑。对于转向侧滑，主要靠选择合适的主销角度，合理搭配主销内倾与后倾角，尽可能使转向内轮产生外倾或增加外倾，使转向外轮产生内倾或减小外倾。

模型车底盘性能
模型车底盘采用的是等长双横臂式独立悬架，当车轮上下跳动时，车轮平面没有倾斜，但轮距会发生较大变化，故车轮发生侧向滑移的可能性较大。本车共有6处参数可调，其中主销内倾角对模型车性能影响不大，可设为。主销后倾角可以通过增加垫片的数量来增大主销后倾角，共有4 片垫片，前2 后2，后倾角为0；前1后3，后倾角为；前0 后4，后倾角为。对于本模型车，若欲使之转向灵活，主销后倾角可选；欲增大回正力矩，则后倾角可选。前轮外倾角与模型车的侧滑关系较大，需与前轮前束相匹配，可设为。前轮前束前轮是由舵机带动左右横拉杆实现转向的。主销在垂直方向的位置确定后，改变左右横拉杆的长度即可改变前轮前束的大小。左杆短，可调范围为10.8mm~18.1mm；右杆长，可调范围为29.2mm~37.6mm。

底盘离地间隙
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前半部分的离地间隙，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9mm~12mm。从已有的经验来看，在加装了传感器之后，此距离过小，会降低模型车爬坡时的通过度；过大，则会影响传感器的灵敏度。

后悬挂纵向减震弹簧预紧力
在红圈处增加垫片即可增大弹簧的预紧力。

舵机性能测试
在舵机的轴上连接一个变阻器，该变阻器有三个接头，两侧的接头一端接在5V电源上，另一端接地，中间的接头连在示波器上，示波器测电压。当舵机带动前轮转动时，变阻器的阻值随之改变，示波器的电压值也发生变化，即将电压与舵机的转角对应起来，这样，通过测量电压随时间的变化即可知舵机转角的变化率。从试验中可知，舵机近似匀速地由一侧最大转角转至另一侧最大转角。结合对前轮最大转角的测量，可估测出舵机的转速约为2.42rad/s-2.52rad/s。由汽车理论的相关知识可知，该舵机性能偏软，可通过增大前轮前束来进行调整。对舵机性能的测试主要用于设定仿真参数，同时估算出的舵机转速也对程序相应速度和转向时的车速限制有一定的参考意义。模型车稳态转向测试本节探讨舵机PWM 占空比与车速、转弯半径之间的关系。试验中舵机PWM 占空比设为6挡，分别以1、2、3、4、5、6 表示，数字越大转角越大。可得舵机转角为挡位1时的车速——转弯半径对应图，由试验可知，在相同转角下，转弯半径与车速大致呈线性关系。根据模型车的相关数据由下式可算得理论转弯半径为275mm。该值与模型车试验中0.31m/s时的转弯半径相近；当模型车车速>1.4m/s后开始出现侧滑现象。

结语
本文通过理论分析和试验测试，对智能车比赛用模型车的转向轮定位参数调整、重点的选择、侧滑的控制、底盘高度的调整、舵机的转向性能及转向稳定性进行了分析，给出了模型车相关参数的调整建议。由于上述模型车关于转向的参数是相互影响的，因此本文给出的仅是各参数的调整趋势，最佳匹配值还需根据赛道调试获得