智能車的設(shè)計
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3 速度傳感器
3．1 方案選擇
(1)霍爾傳感器配合稀土磁鋼
優(yōu)點：獲取信息準(zhǔn)確、體積小、不增加后輪負(fù)載。
缺點：齒輪出靠近主驅(qū)動電機(jī)，容易受磁場干擾，對齒輪打孔容易順壞齒輪。
(2)光電傳感器
優(yōu)點：體積小、不增加后輪負(fù)載、反射型方案對原有器件不需要再加工。
缺點：精度受到光電管體積的限制。
(3)光電編碼器
優(yōu)點：獲取信息準(zhǔn)確、精度高。
缺點：增加后輪負(fù)載、體積大。
比較以上三種方案，考慮到系統(tǒng)的可靠性，主后輪轉(zhuǎn)動齒輪為塑料質(zhì)地，打孔比較危險，而且車重的任何增加都有可能影響到車速，最終決定采用直射型光電傳感器。
3．2 硬件電路設(shè)計
傳感器電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
4 驅(qū)動部分
4．1 電機(jī)驅(qū)動器選擇
根據(jù)電機(jī)學(xué)和電力拖動理論，電機(jī)驅(qū)動器要有足夠的電流輸出能力來保證驅(qū)動力的充足。綜合考慮，電機(jī)驅(qū)動器采用一體化的專用功率驅(qū)動集成電路進(jìn)行設(shè)計分離元件(場效應(yīng)管)構(gòu)成的驅(qū)動器。
根據(jù)電機(jī)學(xué)，直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速，n的表達(dá)式為：
式中：U為電樞端電壓；I為電樞電流；R為電樞電路中電阻；φ為每級磁通量；K為電動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。
由式(1)可知，直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法可以分為兩大類：對勵磁磁通進(jìn)行控制的勵磁控制法和對電樞電壓進(jìn)行控制的電樞控制法?，F(xiàn)在大多數(shù)應(yīng)用場合都使用電樞電壓控制法，本設(shè)計采用的是在保證勵磁恒定不變的情況下，采用PWM來實現(xiàn)直流電動機(jī)的調(diào)速方法。
電動機(jī)的電樞繞組兩端的電壓平均值U。為：
式中：占空比D表示在一個周期T里開關(guān)導(dǎo)通的時間與周期的比值，D的變化范圍為0≤D≤1。由式(2)可知，當(dāng)電源電壓Us不變的情況下，電樞兩端電壓的平均值Uo取決于占空比D的大小，改變D值也就改變了電樞兩端電壓的平均值，從而達(dá)到控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，即實現(xiàn)PWM調(diào)制。
為了便于取材和設(shè)計方便，此次設(shè)計選擇了飛思卡爾半導(dǎo)體公司的PC33886。PC33886在PWM調(diào)速模式驅(qū)動下可以接受20 kHz的工作頻率；具有過熱、過流、短路保護(hù)，并且通過一條反饋線將器件的工作狀態(tài)反饋給單片機(jī)。
4．2 舵機(jī)控制
舵機(jī)控制程序流程圖如圖4所示。
車模在行駛過程中不斷采樣路況信息，并通過分析車模與賽道相對位置判斷車模所處路況，計算轉(zhuǎn)彎半徑。所有舵機(jī)標(biāo)準(zhǔn)PWM周期為20 ms，轉(zhuǎn)動角度最大為90°，當(dāng)給舵機(jī)輸入脈寬為0．5 ms，即占空比為O．5／20=2．5％的調(diào)制波時，舵機(jī)右轉(zhuǎn)90°。可以推導(dǎo)出轉(zhuǎn)動角度與脈寬的關(guān)系計算公式為：
t=1．5±θ／90
式中：t為正脈沖寬度，單位：ms；θ為轉(zhuǎn)動角度；當(dāng)左轉(zhuǎn)時取加法計算，右轉(zhuǎn)時取減法計算。
在具體操作中PWM調(diào)制波的周期可以設(shè)置在20 ms左右一定范圍內(nèi)均可以使舵機(jī)正常轉(zhuǎn)動，經(jīng)反復(fù)測試最終把輸出PWM調(diào)制波周期設(shè)為13 ms。
運行電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，在軟件上都是通過對PWM波占空比進(jìn)行設(shè)置來相應(yīng)控制的。
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