模型车机械设计说明

模型车机械设计说明
任何的控制算法和软件程序都是需要一定的机械结构来执行和实现的，因此在设计整个软件架构和算法之前一定要对整个机械结构有一个感性的认识，然后建立相应的数学模型。

从而再针对具体的设计方案来调节整赛车的机械结构。

本章将主要介绍车模的机械特点和调整方案。

1车体的具体参数
此次比赛用的车模采用1/10 的仿真车模。

车模机械结构只使用竞赛提供车模的底盘部分及转向和驱动部分。

控制采用前轮转向，后轮驱动方案。

车模具体参数如下：
基本参数尺寸
轴距197cm
前轮距124cm
后轮距136cm
车轮直径50cm
车长316cm
车宽172cm
传动比18/76
2前轮倾角调节
调试中发现，在车模过弯时，转向舵机的负载会因为车轮转向角度增大而增大。

为了尽可能降低转向舵机负载，对前轮的安装角度，即前轮定
位进行了调整。

前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，转向轻便
和减少轮胎的磨损。

前轮是转向轮，它的安装位置由主销内倾、主销后倾、
前轮外倾和前轮前束等4 个因素决定，反映了转向轮、主销和前轴等三者
在车架上的位置关系。

主销内倾是由主销装在前轴略向内倾斜的角度，它的作用使前轮自动
回正。

角度越大前轮自动回正的作用就越强烈，但转向时就越费力，轮胎
磨损增大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱。

主销后倾是指主销装在前轴，上端略向后倾斜的角度。

它使用车辆转弯时产生的离心力所形成的力矩方向与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转
自动恢复到原来的中间位置上。

由此，主销后倾角越大，车速越高，前轮
稳定性也越好。

主销内倾和主销后倾都有使转向自动回正，保持直线行驶的功能。

不
同之处是主销的回正与车速无关，主销后倾的回正与车速有关，因此高速
时后倾回正作用大，低速时内倾的回正作用大。

前轮外倾角对汽车的转弯性能有直接影响，它的作用是提高前轮的转
向安全和转向操纵的轻便性。

前轮外倾角俗称“外八字”，如果车轮垂直地
面一旦满载就易产生变形，可能引起车轮上部向内倾侧，导致车轮联接件
损坏。

所以事先将车轮校偏一个外八字角度，这个角度约为1°左右。

所谓前束是指两轮之间的后距离数值与前轮数值之差，也值前轮中心线与纵线向中心线的夹角，其惯性力会自然将轮胎向内偏斜，如果前束适
当，轮胎滚动时的偏斜方向就会抵消，轮胎内外侧磨损的现象就会减少。

3齿轮传动机构调节
车模后轮采用RS-380SH-4045 电机驱动，由竞赛主办方提供。

电机轴
与后轮轴之间的传动比为9：38（电机轴齿轮齿数为18，后轮轴传动轮齿
数为76）。

齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。

齿轮传动部分安装位
置的不恰当，会大大增加电机驱动后轮的负载，从而影响到最终的成绩。

调整的原则是：两传动齿轮轴保持平行，齿轮间的配合间隙要合适，过松
容易打坏齿轮，过紧又会增加传动阻力，白白浪费动力，传动部分要轻松、顺畅，容易传动，不能有卡住或迟滞现象。

判断齿轮传动是否调整好的一个依据是，听一下电机带动后轮空转时的声音。

声音刺耳响亮，说明齿轮间的配合间隙过大，传动中有撞齿现象；声音闷而且有迟滞，则说明齿轮间的配合间隙过小，或者两齿轮轴不平行，电机负载加大。

调整好的齿轮传送噪音小，并且不会有碰撞类的杂音。

4后轮差速机构调节
差速机构的作用是在车模转弯的时候，降低后轮与地面之间的滑动；并且还可以保证在轮胎抱死的情况下不会损害到电机。

当车辆在正常的过弯中（假设：无转向不足亦无转向过度），此时4 个轮子的转速（轮速）皆不相同，依次为：外侧前轮>外侧后轮>内侧前轮> 内侧后轮。

此时所使用车模配备的是后轮差速器。

差速器的特性是：阻力越大的一侧，驱动齿轮的转速越低；而阻力越小的一侧，驱动齿轮的转速越高，以此次使用的后轮差速器为例，在过弯时，因外侧前轮轮胎所遇的阻力较小，轮速便较高；而内侧前轮轮胎所遇的阻力较大，轮速便较低。

差速器的调整中要注意滚珠轮盘间的间隙，过松过紧都会使差速器性能降低，转弯时阻力小的车轮会打滑，从而影响车模的过弯性能。

好的差速器，在电机不转的情况下，右轮向前转过的角度与左后轮转过的角度之间误差很小，不会有迟滞和过转向情况。

5舵机安装方式
舵机转向是整个控制系统中延迟较大的一个环节，为了减小此时间常数，通过改变舵机的安装位置，而并非改变舵机本身机构的方法可以提高舵机的响应速度。

分析舵机控制转向的理论可以发现，在相同的舵机转向条件下，转向连杆在舵机一端的连接点离舵机轴心距离越远，转向轮转向变化越快。

这相当于增大力臂长度，提高线速度。

针对上述特性，改变了原装车模的安装方式，将舵机安装在相对的一对称面上。

这样安装的优点是：1）改变了舵机的力臂，使转向更灵敏，2）舵机安装在正中央，使左右的转向基本一致；3）重心相对来说靠后，减轻舵机的负载。

6其他机构的调节
能车机械设计与调整方案
由于模型车的机械结构和组装形式是整个车身的基础，对于智能车的运行有直接影响，前两届比赛由于在机械结构改装和车身零件调校上的轻视，我们在比赛中表现不佳。

经过分析去年惨痛教训，我们今年对机械结构进行了仔细分析和设计调整，取得了不错地效果。

整个机械设计与调整主要分为以下几个方面:1,轮胎优化调整；2，悬架结构设计与调整；3，前轮定位的调整；4，重心调整与车上设备的布置。

1轮胎优化调整
轮胎是车身与地面直接接触的部件，直接影响智能车附着力（俗称抓地力）与过弯性能。

我们知道智能车附着力的好坏对于车身加减速性性能及过弯时瞬态、稳态响应优劣有较大影响。

在整个车体调整过程中，轮胎优化是首位的。

由于组委会限定了轮径及轮胎的改动，我们的调整主要针对车模现有轮胎。

在调车过程中，我们可以发现，新轮胎在使用一段时间后，
智能车的附着力会增加，之后逐渐减少。

这是由于随着轮胎地使用，胎面表面会变得粗糙，中间的分模面也会磨损掉，整个胎面看上去比较平整，此时胎面的附着性能达到最佳。

因此，我们可以事先进行人为前期磨损，使其达到好的附着性能。

另外，高速过弯，特别是摄像头车过弯时由于地面对轮轮胎侧向力很大，易使轮胎脱离轮毂，这时可以考虑将轮胎粘在轮毂上。

2悬架结构设计与调整
悬架的结构对于车体的机械性能也有比较重大的影响，特别是前悬架的调校。

组委会提供的车模由于许多部件是由塑料制作，所以精度很低，车模之间的个体差异也很大，有的车模前横臂与金属轴之间配合很紧，前悬架刚度大，智能车在过弯时，车体反应较为迟钝，同时由于高速时车身的抖动，易使内侧车轮脱离地面，严重影响车的过弯能力。

可以选用比较松但间隙不太大的前横臂，同时在前悬架所有转动副上加上润滑脂。

以增加前悬架的灵活度。

对于后悬架调整，简单说主要就是对车身后部与前底板相连接的扭腰板及其上部两侧导向杆的调整。

对于摄像头车，由于对小S和大S进行优化后，连续反向过弯要求较弱，可以适当增大后悬架刚度，但是近年赛道越来越复杂，最明显的就是弯道明显增多，所以后悬架刚度也不应太大，同时可以考虑减弱扭腰板刚度。

这个通过后支架的设计安装可以做到。

3前轮定位的调整
在进行轮胎悬架调整后，我们对主要前轮定位参数——主销内倾，主销后倾，前轮前束进行了重新调整。

由于车模个体差异，所以没有办法所有车模使用同一个参数。

在调整过程中，对车模分别进行调试，过程如下，首先将主销后倾、主销内倾及主销后倾角调为0，然后增大主销内倾角，至最佳，再调整前轮通过试验发现，对于摄像头车，主倾内倾加负前束可以达到比较好的过弯效果。

4重心调整与车上设备的布置
在电机和电池相同的情况下，车体重量对于车的加减速性能有着至关重要的影响，因此在车身支架及设备布置时应该尽量减少不必要的配置，使车总重尽量减少。

车体重心高低主要影响车身运动中的稳定性，对于平顺性也有一定影响。

重心调整主要目标是在过坡的前提下尽量降重心。

可能通过在前悬架下加黄色垫片，后轴改用黑色矩形块来实现。

另外将车上设备尽量布置在车体转动中心上，有利于车体在过弯时的响应。

为了降低整车重心，需严格控制CCD 及其安装架的重量。

首先，在CCD摄像头的选择上采用了镜头固定在电路板上的裸板CCD，去掉了CCD 外壳的重量。

然后是设计了轻巧的铝合金CCD 夹持组件，并采用了碳纤维管作为安装CCD 的主桅，这样可以获得最大的刚度质量比。

主桅放在前底板，减少后轮振动对摄像头采集的影响。

1摄像头的安装
大量事实证明，重心越低越好。

为降低重心，并同时保证图像视野宽度，最好的方法就是使用旋转摄像头。

第三届比赛中，摄像头-舵角连动机构在RacerX的车上取得了出人意料的成效，但也暴露出了一些机构固有的问题，其中包括：机构虚位导致摄像头定位不准，摄像头在中位附件容易振荡。

因此需要对机构进行改良。

改良方法如下：
（1）增加自动回正机构，给旋转摄像头提供自动回正力矩，以减小机构虚位。

（2）给旋转摄像头机构调静平衡，减少车模在过弯过程中离心力对摄像头的影响。

（3）用滑槽代替原本中间的连杆球头，为旋转摄像头在中位附近制造一段死区，使车模在打小角度舵角时，摄像头不转，从而增加车模在直线和小S弯中的稳定性。

改良的机构三维图如图
综上所述，这是一个带有死区及自动回正机构的旋转摄像头机构。

此外，在控制方面，可以设法检测出摄像头旋转的角度，并将其反馈的控制算法里。

检测摄像头角度的方法大致有以下两种：
（1）在车头划线做标记，用摄像头检测车头标记，来判断自己所转的角度。

（2）由于舵机S3010是模拟舵机，其中是用电位器来反馈舵角的，因此可以将此电位器的信号飞线引出来，用单片机内部AD进行采集。

2偏振镜的使用
由于追求更好的机械性能，我们把摄像头降低，达到降低重心的目的。

但是由此带来了反面的影响，那就是图像的形变以及受到跑道面反光的影响。

跑道上的黑线由于反光原因，摄像头检测的数据丢失黑线。

为了解决反光导致检测不到黑线的问题，我们利用了偏振镜。

偏振镜的作用其实是过滤掉某个角度的偏振光，实现检偏的作用。

当自然光经过跑道面以后，会产生偏振光，这反射的偏振光会影响到图像的采集。

通过在摄像头前面安装偏振镜片，并且调整偏振镜片的检偏角度，可以得到几乎无反光影响的图像。

如图
不过，使用偏振镜也会带来问题。

虽然偏振镜能把跑道的偏振光过滤掉，但同时把环境的自然光强度降为原来光强的二分之一，也就是说通过偏振镜之后光线变暗了。

在光线强度较大的时候不会有太大影响，但是如果环境光比较弱的时候，加了偏振镜会使摄像头感应的光线更弱，而大多数摄像头具有自动曝光功能，在光线昏暗时，
摄像头会自动增加曝光时间，导致图像更容易模糊。

因此，使用偏振镜要合理权衡利与弊才能发挥偏振镜的作用。

3机械性能调校
尽管比赛规则对车架做了很大的限制，但车模的机械调校仍然会起着举足轻重的作用。

去年我决赛的跑道摩擦力极强，而我们的车模在转向时，由于悬挂调整不当，甚至出现了前轮跳动的现象，使得前轮的抓地力无法发挥出来，极大的限制了我们的成绩。

今年，我们主要对车模的悬挂做了较大的调整。

首先更换前避震弹簧，使用直径4mm 线径0.3mm螺距2mm的弹簧作为前避震弹簧，使前悬挂大幅变软，以增加过弯时车头的侧倾量，同时调整前轮的camber角和caster角，保证车模在转向过程中，外侧的前轮与地面基本保持垂直。

由于这种调校下，车头的侧倾量较大，因此转向时外侧的前轮起主要作用，可以将前束脚调成0°甚至是略有toe in的状态，来增加车模的转向。

此外，由于本届比赛窄道标记前赛道上有一段突起，而较软的悬挂可以有效减少车模的颠簸，因此还可以减少后避震插片，使后悬挂也变软。

在悬挂的调整过程中，有一点需要注意，就是虚位问题。

由于国产车模的质量不好，在悬挂关节处有较大的间隙，使得悬挂变得不可靠，尤其是在改软前弹簧后，如果悬挂关节修整不好，会造成车体左右的不平衡。

因此需要利用强力胶对悬挂的间隙进行修补。

其中，前悬挂上A臂最好能做到无阻力无虚位。

1整车布局
今年模型车的整车布局本着轻量化设计，具有以下特点：
(1) 架高舵机并直立安装，以提高舵机响应速度；
(2) 主板低位放置，降低赛车重心；
(3) 采用强度高、质量轻的材料制作摄像头支架；
(4) 摄像头后置于模型车的后方，减少赛车前方盲区。

机械系统设计及实现
根据组委会的相关规定，今年摄像头组比赛车模由原来的A型车模更换为B型车模。

车模的更换给机械系统设计带来了一定的困难，在比赛备战之初，我们就对该车模进行了详细的系统分析。

今年的车模精度不是很高，因此在规则允许范围内尽量改造车模，提高车模整体精度是很必要的。

本章将主要介绍智能汽车车模的机械结构及调整方案。

车体机械建模
此次竞赛的赛车车模选用由北京科宇通博科技有限公司提供的B型车模，控制采用四轮驱动方案。

车模外形如图2.1所示，基本参数见表2.1。

由图2.1可见原装车模的电池由两个部分连接而成，为了整车整体机械结构稳固，我们使用扎带固定电池，保证了电池在车运动过程中不会振动。

基本参数尺寸（mm）
轴距175
前轮距150
后轮距150
模型车长265
模型车宽175
模型车高145
前轮倾角的调整
在调试过程中，我们发现由于前轮轴和车轮之间的间隙较大，对车高速时转向中心的影响较大，会引起高速转向下模型车的转向不足。

然而这里是规则中严禁改动的部分，所以为了尽可能降低转向舵机负载，我们对前轮的安装角度，即前轮定位进行了调整。

前轮定位的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，转向轻便和减少轮胎的磨损。

前轮是转向轮，它的安装位置由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束等4个项目决定，反映了转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位置关系。

在实际调试中，我们发现适当增大内倾角的确可以增大转弯时车轮和地面的接触面积，从而增大车了地面的摩擦程度，使车转向更灵活，减小因摩擦不够而引起的转向不足的情况。

底盘高度的调整
在保证顺利通过坡道的前提下，底盘尽量降低，从整体上降低模型车的重心，可使模型车转弯时更加稳定、高速。

电机与中间齿轮箱的调整
模型车采用RS-380SH 电机驱动，电机轴与齿轮箱之间的传动比为14：32（电机轴齿轮齿数为14，齿轮箱传动齿数为32）。

齿轮传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。

齿轮传动部分安装不恰当，会增大电机驱动后轮的负载；齿轮配合间隙过松则容易打坏齿轮过紧则会增加传动阻力。

所以我们在电机安装过程中尽量使得传动齿轮轴保持平行，传动部分轻松、流畅，不存在卡壳或迟滞现象。

舵机安装结构的调整
原装车模的舵机为卧式安装，考虑到主板的安装方便以及车模转向性能，我们对舵机安装结构进行了较大的调整。

比赛车模的转向是通过舵机带动左右横拉杆实现。

舵机的转动速度和功率是一定，要想加快转向机构的响应速度，唯一的办法就是优化舵机的安装位置及其力矩延长杆的长度。

由于功率是速度与力矩乘积的函数，过分追求速度，必然要损失力矩，力矩太小也会造成转向迟钝，因此设计时就要综合考虑转向机构响应速度与舵机力矩之间的关系，通过优化得到一个最佳的转向效果。

利用实际参数经计算，我们得出了一套可以稳定高效工作的参数及结构。

最终，我们设计了一套舵机连片(转向拉
杆)，综合考虑了速
度与力矩的关系，并根据模型车底盘的具体结构，简化了安装方式，实现了预期目标。

关于舵机的安装方式，我们实验室较为主流的有直立式安装和倒置式安装，我们的舵机安装如图2.2所示。

与连片的啮合类似齿轮的啮合，由于连片长度以及齿宽的影响，很难调节到合适的舵机机械中值。

为了弥补这种连片的缺陷，我们采用了可调中值的舵机连片。

摄像头的安装
为了降低整车重心，需要严格控制CMOS摄像头的安装位置和重量，我们自行设计了轻巧的铝合金夹持组件并采用了碳纤维管作为安装CMOS的主桅，这样可以获得最大的刚度质量比，整套装置具有很高的定位精度和刚度，使摄像头便于拆卸和维修，具有赛场快速保障能力。

摄像头的安装如图2.3所示。