浅谈恩智浦智能汽车机械结构及研究

周嘉琪 李文鹏

摘 要：为了更好地改善比赛中智能车的机械结构，完善智能车控制设计系统，采用了新的硬件电路，并改进了控制算法和控制参数。在机械结构允许调整的前提下，在原始赛车模型的基础上进行了许多调整和改进。以下是对于智能汽车模型的机械结构的调整以及改进的详细构造。

关键词：智能汽车;机械结构;竞赛

1 智能汽车的整体结构调整

為了进行整体结构调整和优化汽车模型的机械结构，需要考虑以下几点：减小重心，防止体积碰撞，照顾前瞻性传感器并确保电路板和传感器安装的可行性，防止信号干扰，确保车身的平稳性和稳定性。在调整比赛中使用的汽车模型的机械结构时，会根据上述几点来调整结构和布局。

重心过高会导致智能汽车高速转弯时车轮升起和侧翻，而重心向前，向后移动太远或向后太远都会导致智能汽车转弯时不灵敏或打滑，并且增加马达和转向器负担。因此，尽可能降低重心，并确保重心不会过度偏向汽车模型的前端和后端是确保车身稳定运行的关键因素。

驱动器电路板（称为驱动器板）和电磁信号获取电路板（称为电磁板）位于汽车模型的前后。END STOP限幅器电路板（也称为横向错误判断板），防撞结构和红外测距传感器分别连接到汽车模型的前部和电磁板下方。

摄像头位于汽车模型中间的前部，主控制电路板（称为主板）和电池分别位于摄像头控制杆的前面和后面。红外对管板位于电池的左侧和右侧。簧片开关位于主板下方，靠近汽车模具底盘。固定方法是铜柱和螺母固定，再加上热熔胶和黑色胶带以及硅橡胶辅助固定，虽然相对稳定可靠，但对外观没有太大影响。

2 摄像头的安装

安装摄像机时要考虑的最重要因素是在满足高度限制规则的前提下，前瞻性盲点可以满足算法要求。前视可以理解为由摄像头检测到的信息的最长距离，信息需采取有效轨迹中的数据，盲区可以理解为从摄像头检测到的有效轨迹区域到车身的距离。显然盲区越小越好，向前越远越好。但是，实际上，由于摄像头的高度受到限制，因此前视和盲区彼此冲突。如果想看得更远，将使盲区及其盲区易于增加。如果想要较小的盲区，则将牺牲部分超前距离。同时，当摄像头高度较低时，可以及时看到的轨迹距离很远，但不一定是有效的信息，一旦算法确定，则超前距离不再可能。总之，经过多次测试实验，最终决定将摄像头安装在智能汽车模型的中间。在这里，大约1米（算法要求）的最佳前视和盲区仅为10厘米。不影响智能汽车控制算法对有效轨道信息提取的需求。

在确定了摄像头相对于母板的位置，摄像头的倾斜度以及摄像头的高度之后，摄像头的前向和盲区都会被平等地确定。因此，使用两个碳纤维杆支撑摄像头杆，以防止由于身体振动而造成前瞻性变化。同时，在摄像机和摄像机杆之间连接了两个短的碳纤维杆支撑，以防止摄像机的倾斜角度发生变化。该连接通过热熔胶和黑色胶带固定，易于固定。同时，考虑使用3D打印技术制作更好的固定支架。长期测试证明该固定方案具有较高的可靠性和稳定性。摄像机使用柔性电缆连接到主板，该电缆稳定，易于安装且易于更换。同时，减少了生产线的外部复杂性，并增加了车身的美观性和清洁度。

3 电路板的安装

电路板的安装使用铜柱，螺钉和螺母固定。电路板的安装有其自身的考虑因素。由于杜邦线的不稳定，大多数对稳定性有疑问的接口都使用带有卡槽的XH2.54接口，该接口非常稳定。在焊点和电路板的背面粘上一层黑色胶带和热熔胶，以避免人手接触并导致电路板破裂并烧坏芯片。

主板是全局核心，位于中间。由于有焦点，因此相机位于中间，核心控制器的面积也不小。决定放置电池以控制重心。主板中间留有圆弧，旨在适应机箱剩余可用区域的形状。合理地使用了有限的空间，并且为方便起见，提供了传感器和电路板之间的直接连接。主板下面有各种各样的电缆和少量设备，因此升高了一定高度，不会使重心过高，从而使线路连接稳定可靠，并且整个接线看起来更不混乱。

电磁板需要一定的外观，但是汽车的长度和极限之间的间隙很小，因此外观本身非常有限，因此必须将其放置在前舵机上方，固定方法是铜柱和螺钉。同时，不断调整测试电感器在其上方的位置，以获得针对测试电感器位置的最佳安装计划。

4 电池的安放

电池的放置主要考虑重心因素，还考虑了需要大量电能的母板和驱动板的接线问题以及电池本身的尺寸。

经过综合考虑，使用了小型锂电池，该锂电池放置在汽车模具底盘的后方中间位置，从而相对稳定地稳定了整个车身的重心。使用四个固定的铜柱固定电池。同时，带倒钩的黑色电缆扎带连接到电池的背面，带软毛的黑色电缆扎带连接到电池的位置。只需将电池放在机箱上。铜柱用于保持水平方向并提供一定的摩擦力，使电池难以摇晃。将扎线带安装到电池后，即可稳定地固定电池。更换电池时，只需从一侧轻轻揭下，放置时仅用卡住的铜柱按压电池即可。实用性很高，安全可靠，非常方便。

5 舵机服务器调整

舵机伺服务器垂直安装，其输出角度由前轮的联动传动装置控制。其角度精度和响应时间是非常关键的性能参数。为了获得良好的伺服控制效果，除了优化软件算法外，调整机械结构也同样重要。

舵机转向的“负荷”与前轮，整个车身和地面的摩擦系数有关。只有在底盘稳定的情况下，车身的重心才是适当的，轮胎与地面之间的摩擦才足够，转向器的齿轮精度才足够，前轮的转向是否灵活等。同时，从转向器接收到旋转控制信号到响应输出需要一定的时间，容易引起实时控制滞后。这可能会导致智能汽车发送的行驶路线出现巨大偏差，在低速行驶时可以通过及时纠正来弥补，但是一旦汽车高速行驶，就会引起误判，从而导致有效的转向。跟踪为时已晚，无法修改。为了解决该问题，前轮转向通过连杆传动装置进行控制，并且设计具有最合适长度的杠杆臂来弥补该缺点并提高伺服器的响应速度。

通过反复的测试实验，记录数据进行比较和理论分析。最后，最终确定了合适的一对转向齿轮臂，以使转向转弯灵活，轻便，同时确保转向齿轮不会损失太多，并且会延迟转向齿轮的使用寿命。

6 结束语

本章重点介绍智能汽车机械结构调整和优化的具体实现过程。刚开始时，机械结构并未得到优化，仅着眼于设备布局的合理规划。从摄像机的初始位置到安装多个电路板，在中间调整诸如前轮的趾部和主销的倾斜度等参数。机械结构的真正大规模调整实际上是在稍后阶段进行的。通过实验证明，良好的机械结构确实可以为加速智能汽车提供保证。经过多次细节优化，智能汽车模型在行驶过程中表现出非常流畅的性能，同时减少了齿轮啮合问题所引起的噪音，进一步提高了转向稳定性，改进了车身很少发抖的情况。

参考文献：

[1]王盼宝.智能车制作[M].北京：清华大学出版社，2017.