淺談恩智浦智能汽車機械結構及研究

周嘉琪 李文鵬

摘 要：為了更好地改善比賽中智能車的機械結構，完善智能車控制設計系統，采用了新的硬件電路，并改進了控制算法和控制參數。在機械結構允許調整的前提下，在原始賽車模型的基礎上進行了許多調整和改進。以下是對于智能汽車模型的機械結構的調整以及改進的詳細構造。

關鍵詞：智能汽車;機械結構;競賽

1 智能汽車的整體結構調整

為了進行整體結構調整和優化汽車模型的機械結構，需要考慮以下幾點：減小重心，防止體積碰撞，照顧前瞻性傳感器并確保電路板和傳感器安裝的可行性，防止信號干擾，確保車身的平穩性和穩定性。在調整比賽中使用的汽車模型的機械結構時，會根據上述幾點來調整結構和布局。

重心過高會導致智能汽車高速轉彎時車輪升起和側翻，而重心向前，向后移動太遠或向后太遠都會導致智能汽車轉彎時不靈敏或打滑，并且增加馬達和轉向器負擔。因此，盡可能降低重心，并確保重心不會過度偏向汽車模型的前端和后端是確保車身穩定運行的關鍵因素。

驅動器電路板（稱為驅動器板）和電磁信號獲取電路板（稱為電磁板）位于汽車模型的前后。END STOP限幅器電路板（也稱為橫向錯誤判斷板），防撞結構和紅外測距傳感器分別連接到汽車模型的前部和電磁板下方。

攝像頭位于汽車模型中間的前部，主控制電路板（稱為主板）和電池分別位于攝像頭控制桿的前面和后面。紅外對管板位于電池的左側和右側。簧片開關位于主板下方，靠近汽車模具底盤。固定方法是銅柱和螺母固定，再加上熱熔膠和黑色膠帶以及硅橡膠輔助固定，雖然相對穩定可靠，但對外觀沒有太大影響。

2 攝像頭的安裝

安裝攝像機時要考慮的最重要因素是在滿足高度限制規則的前提下，前瞻性盲點可以滿足算法要求。前視可以理解為由攝像頭檢測到的信息的最長距離，信息需采取有效軌跡中的數據，盲區可以理解為從攝像頭檢測到的有效軌跡區域到車身的距離。顯然盲區越小越好，向前越遠越好。但是，實際上，由于攝像頭的高度受到限制，因此前視和盲區彼此沖突。如果想看得更遠，將使盲區及其盲區易于增加。如果想要較小的盲區，則將犧牲部分超前距離。同時，當攝像頭高度較低時，可以及時看到的軌跡距離很遠，但不一定是有效的信息，一旦算法確定，則超前距離不再可能。總之，經過多次測試實驗，最終決定將攝像頭安裝在智能汽車模型的中間。在這里，大約1米（算法要求）的最佳前視和盲區僅為10厘米。不影響智能汽車控制算法對有效軌道信息提取的需求。

在確定了攝像頭相對于母板的位置，攝像頭的傾斜度以及攝像頭的高度之后，攝像頭的前向和盲區都會被平等地確定。因此，使用兩個碳纖維桿支撐攝像頭桿，以防止由于身體振動而造成前瞻性變化。同時，在攝像機和攝像機桿之間連接了兩個短的碳纖維桿支撐，以防止攝像機的傾斜角度發生變化。該連接通過熱熔膠和黑色膠帶固定，易于固定。同時，考慮使用3D打印技術制作更好的固定支架。長期測試證明該固定方案具有較高的可靠性和穩定性。攝像機使用柔性電纜連接到主板，該電纜穩定，易于安裝且易于更換。同時，減少了生產線的外部復雜性，并增加了車身的美觀性和清潔度。

3 電路板的安裝

電路板的安裝使用銅柱，螺釘和螺母固定。電路板的安裝有其自身的考慮因素。由于杜邦線的不穩定，大多數對穩定性有疑問的接口都使用帶有卡槽的XH2.54接口，該接口非常穩定。在焊點和電路板的背面粘上一層黑色膠帶和熱熔膠，以避免人手接觸并導致電路板破裂并燒壞芯片。

主板是全局核心，位于中間。由于有焦點，因此相機位于中間，核心控制器的面積也不小。決定放置電池以控制重心。主板中間留有圓弧，旨在適應機箱剩余可用區域的形狀。合理地使用了有限的空間，并且為方便起見，提供了傳感器和電路板之間的直接連接。主板下面有各種各樣的電纜和少量設備，因此升高了一定高度，不會使重心過高，從而使線路連接穩定可靠，并且整個接線看起來更不混亂。

電磁板需要一定的外觀，但是汽車的長度和極限之間的間隙很小，因此外觀本身非常有限，因此必須將其放置在前舵機上方，固定方法是銅柱和螺釘。同時，不斷調整測試電感器在其上方的位置，以獲得針對測試電感器位置的最佳安裝計劃。

4 電池的安放

電池的放置主要考慮重心因素，還考慮了需要大量電能的母板和驅動板的接線問題以及電池本身的尺寸。

經過綜合考慮，使用了小型鋰電池，該鋰電池放置在汽車模具底盤的后方中間位置，從而相對穩定地穩定了整個車身的重心。使用四個固定的銅柱固定電池。同時，帶倒鉤的黑色電纜扎帶連接到電池的背面，帶軟毛的黑色電纜扎帶連接到電池的位置。只需將電池放在機箱上。銅柱用于保持水平方向并提供一定的摩擦力，使電池難以搖晃。將扎線帶安裝到電池后，即可穩定地固定電池。更換電池時，只需從一側輕輕揭下，放置時僅用卡住的銅柱按壓電池即可。實用性很高，安全可靠，非常方便。

5 舵機服務器調整

舵機伺服務器垂直安裝，其輸出角度由前輪的聯動傳動裝置控制。其角度精度和響應時間是非常關鍵的性能參數。為了獲得良好的伺服控制效果，除了優化軟件算法外，調整機械結構也同樣重要。

舵機轉向的“負荷”與前輪，整個車身和地面的摩擦系數有關。只有在底盤穩定的情況下，車身的重心才是適當的，輪胎與地面之間的摩擦才足夠，轉向器的齒輪精度才足夠，前輪的轉向是否靈活等。同時，從轉向器接收到旋轉控制信號到響應輸出需要一定的時間，容易引起實時控制滯后。這可能會導致智能汽車發送的行駛路線出現巨大偏差，在低速行駛時可以通過及時糾正來彌補，但是一旦汽車高速行駛，就會引起誤判，從而導致有效的轉向。跟蹤為時已晚，無法修改。為了解決該問題，前輪轉向通過連桿傳動裝置進行控制，并且設計具有最合適長度的杠桿臂來彌補該缺點并提高伺服器的響應速度。

通過反復的測試實驗，記錄數據進行比較和理論分析。最后，最終確定了合適的一對轉向齒輪臂，以使轉向轉彎靈活，輕便，同時確保轉向齒輪不會損失太多，并且會延遲轉向齒輪的使用壽命。

6 結束語

本章重點介紹智能汽車機械結構調整和優化的具體實現過程。剛開始時，機械結構并未得到優化，僅著眼于設備布局的合理規劃。從攝像機的初始位置到安裝多個電路板，在中間調整諸如前輪的趾部和主銷的傾斜度等參數。機械結構的真正大規模調整實際上是在稍后階段進行的。通過實驗證明，良好的機械結構確實可以為加速智能汽車提供保證。經過多次細節優化，智能汽車模型在行駛過程中表現出非常流暢的性能，同時減少了齒輪嚙合問題所引起的噪音，進一步提高了轉向穩定性，改進了車身很少發抖的情況。

參考文獻：

[1]王盼寶.智能車制作[M].北京：清華大學出版社，2017.