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1、郑州大学机械工程学院I摘要摘要摘要摘要瑞萨 MCU 模型车，是在搭载有瑞萨 MCU 主板的模型车上自行设计并编制独立的控制程序，组装制作成具有自动识别功能的 MCU 汽车模型。MCU 模型车在跑道中央行驶时读取跑道中央的白线作为输入信息以控制行驶路线，其构造分两大部分：程控部分和机械部分。程控部分为传感器，当模型车行驶时车体前方的传感器迅速读取路面信息，并传达至主控制器，以控制行驶方向。机械部分为马达、齿轮、轮胎、舵机等。动力源为 8 节AA 型电池。对模型车的深入研究，不仅可以加强我们对机电一体化产品的理解，还能使我们从中领悟到一些有关电动汽车理论的真谛。本文主要研究：MCU 模型车的结构组
2、成与工作原理；建立 MCU 模型车的几何模型，运动学模型及动力学模型，并对其进行理论分析和研究；调试 MCU 模型车的基本性能；通过实验研究 MCU 模型车在指定轨道上稳定运行的程序及对模型车运行造成影响的因素。关键词关键词：MCU 模型车、原理、模型、程序。AbstractAbstractAbstractAbstractThe Micom car of Renesas is a model of car which has the CPU board of Renesas withwhich you can design and input independent program,and i
3、t has the function of distinguishingthe course automaticly.The Micom car reads the white central line when it runs in the middle ofthe course.The construction of the Micom car consists of two parts:One part which iscontrolled by the program is made up by the sensors in front of the Micom car which r
4、ead theinformation of the course and convey it to the main controller.The other part which is themechanical section is comprised of motors,gears,tyres,servo and so on.8 pieces of secondaryAAbatteries are used as the source of the power.The research of the Micom car not only can enhance our understan
5、ding with the productsof mechatronics,but also can make us grasp some theories about the motor car.This article mainly discusses the composition and the principle of the Micom car;establishes the geometric model,dynamic model and kinematic model of the Micom car;debugsthe basical capabilities of the
6、 Micom car;writes the program which makes the Micom car runstabily on the course and analyses the factors that affect the process of running.KeywordsKeywordsKeywordsKeywords:Micom Car,principle,model,procedures郑州大学机械工程学院II目录目录目录目录摘要.Abstract.1引言.12MCU 模型车的结构组成及工作原理.22.1 传感器基板.22.2 传感器子基板.32.3 CPU 主板
7、.42.4 马达驱动电路.52.5 伺服舵机控制电路.82.6 发光二极管电路.92.7 开/关电路.102.8 电源.103MCU 模型车的几何模型、运动学模型和动力学模型分析.113.1 模型车几何模型的建立与分析：.113.2 模型车动力学模型的建立与分析：.123.3 模型车运动学模型的建立与分析：.164MCU 模型车在指定轨道上运行的程序设计.185影响 MCU 模型车稳定运行的因素.326结论.34致谢.35参考文献.361 1 1 1引言引言引言引言郑州大学机械工程学院2MCU 模型车的设计与制作起源于由日本社团法人全国高中协会等主办的“JAPANMCU 模型车大赛（英文：Ja
8、pan Micom Car Rally）”，目前这项赛事已经在日本成功举办了十余届。由于这项大赛的科技层次较高，并且具有很强的竞争性和观赏性，如今“JAPANMCU 模型车大赛”已经成为日本国内的全国性重大赛事。2007 年，由瑞萨科技冠名赞助的“瑞萨超级 MCU 模型车大赛”首次在北京举行，并被教育部列为“全国大学生 IT&AT 就业技能大赛”系列赛事之一。这个活动的目的是提高学生的制作能力和编程技巧水平，并培养业界相关人才。该项赛事首次举办就吸引了四十多所高校的六十多支参赛队伍，其中不乏许多知名高校。此次大赛的成功举办，不仅在于高校和大学生们对此项赛事的关注，更在于对大家对专业人才培养和锻
9、炼的重视。该项赛事还将继续在我国举办。在高兴的同时，我们也应该清楚地看到，我国选手的MCU 模型车在科技含量与创新层次上与国外高水平选手还有一定的差距。因此，为提高我国 MCU 模型车赛事的观赏性和赛事水平的竞争力，同时也为了提高我国高校大学生的科研能力、制作能力及创新层次，加强对 MCU 模型车的理论研究和科技创新具有一定的实际意义。2 2 2 2MCUMCUMCUMCU 模型车的结构组成及工作原理模型车的结构组成及工作原理模型车的结构组成及工作原理模型车的结构组成及工作原理MCU 模型车基本上由以下几部分组成：传感器基板，传感器子基板，H8/3048F-ONE郑州大学机械工程学院3型号的
10、CPU 主板，马达驱动基板等。其整体结构如图 1 所示。图 1传感器基板位于模型车的最前方，用于检测赛道信息。而传感器子基板则被固定在模型车车身上，对传感器输出的信号进行初步的预处理。安装在中心位置的 CPU 主板是整个模型车的核心部件，可以对模型车的各控制电路发出控制指令。位于车身最后的马达驱动基板是模型车驱动电路的集合体，在 CPU 的控制下它可以完成对左右马达和伺服舵机的驱动。2.12.12.12.1 传感器基板传感器基板传感器基板传感器基板如图 2 所示，传感器基板主要由 8 个一字等距排开的传感器组成。每个传感器都可以识别赛道上的黑白颜色，通过发光二极管显示传感器检测到的状态，并能将
11、其转化为数字信号“0”或“1”输出。传感器基板作为整个模型车控制系统的起始端，就好比人的眼睛，能读取赛道路面信息，为模型车要产生的相应动作提供必要依据，其作用不可忽视。同时，其识别精度及响应时间都将对整个控制过程造成较大的影响。图 2传感器主要由两部分组成，利用“白色反射光线，黑色吸收光线”的原理，一部分发射光线，另一部分接收光线。发射光线部分为发光二极管，其发射到赛道上的光线为红外线，并不能被肉眼察觉。接受光线部分为光传感器 S7136，它能判断出是否有光线被反射到其接受面上，并能将其转化为数字信号“0”或“1”输出。郑州大学机械工程学院4传感器的工作原理为：如果赛道上光线集中的地方是白色（
12、光线由传感器的发光部分射出），光线将会被反射，并且被传感器的光线接收部分接收。这样，传感器输出数字信号“0”，赛道上的该处被认为是“白色”，同时，具有指示作用的发光二极管工作。同理，如果赛道上光线集中的地方是黑色，光线将会被吸收，不能被光线接收部分接收，传感器输出数字信号“1”，该处将会被认为是“黑色”，具有指示作用的发光二极管不工作。传感器基板上的蓝色方形旋钮为可调电阻，可以调节传感器的灵敏度。当传感器在赛道上的白线处正常工作，黑线处不工作时，传感器灵敏度的调节工作就可以结束了。如果赛道上有灰色，要通过调节旋钮使发光二极管在灰色处也能正常工作，模型车才能够在整个赛道上顺利运行。光传感器 S7
13、136 主要由震荡电路、时钟信号发生电路、发光二极管驱动电路、缓冲放大电路、标准电压发生电路、比较电路、信号处理电路、输出电路等组成。它属于标准元件，共有四个引脚，此处不对其内部结构做过多介绍。传感器基板的电路如图 3 所示：发射红外线的发光二极管（LED2）的阴极与光传感器 S7136（接收光线部分）的引脚 1 连接，阳极通过旋钮调节电阻（该电阻可以调节 LDE2的输出）与电源相连。S7136 的引脚 3 是输出端，并与发光二极管（LED1）相连。因为在数字电路中“0”通常表示 0V，“1”通常表示“5”V，因此，当 S7136 接收到光线时，引脚 3 输出“0”，LED1 工作。反之，当
14、S7136 没有接收到光线时，引脚 3 输出“1”，LED1不工作。为了将每个光传感器引脚 3 的输出值送到 CPU 做后续处理，引脚 3 还与接口 CN1的引脚 2-9 分别相连。另外，光传感器 S7136 的引脚 2 和引脚 4 还要分别与电源和地相连，这样就构成了完整的传感器基板电路。图 3要注意：此时由传感器基板输出的信号为：“1”代表“黑色”，“0”代表“白色”。这与人们通常的思维习惯相矛盾。为了便于在设计程序时理解起来更方便，还需要对传感器基板的输出信号做进一步的处理。这就是下面要介绍的传感器子基板的作用。2.22.22.22.2 传感器子基板传感器子基板传感器子基板传感器子基板传
15、感器子基板的作用是将来自传感器的输入信号取反，使输出信号满足：当赛道颜色为白色时输出值为“1”，当赛道颜色为黑色时输出值为“0”。从而符合人们的思维习惯。又因为来自传感器的输入信号并不是非常清楚，因此传感器子基板同时还具有波形成型和防止信号抖动的功能。传感器子基板的外观如图 4 所示。郑州大学机械工程学院5图 4由上述内容可知：传感器基板与传感器子基板间的关系密切，理论上可以将二者合为一体，放到一块板子上。但是，考虑到传感器基板的重量会影响到伺服舵机转向的快速性，因此将传感器子基板固定在车身上以减轻传感器基板的重量。图 5 为传感器子基板的电路图：电路中，利用非门电路将输入信号取反，并采用元件
16、74HC04 实现该功能。图中电阻起到限流的作用。经过转化后的信号分别与接口 CN12 的引脚 2-9 连接，作为控制信号准备输出到 CPU 中。图 52.32.32.32.3 CPUCPUCPUCPU 主板主板主板主板图 6图示即为模型车的 CPU 主板。该主板采用由日本瑞萨科技生产的 H8/3048F-ONE 芯片。它是整个模型车的核心，也是提高模型车性能的关键所在。它的主要作用是利用控制程序对模型车的各驱动部分发出控制指令，从而实现对整个 MCU 模型车系统的程序控制。CPU 主板的结构较复杂。共有 11 个接口，分别为接口 1 至 B，其中大部分为 8 位接郑州大学机械工程学院6口，还
17、有 4 个是少于 8 位的接口。另外，主板上还有一个 4 位的 DIP 开关，可以调节控制马达转速的 PWM 输出值。CPU 主板的核心部分为 H8/3048F-ONE 芯片，该芯片共有 100个引脚，可以实现对整个模型车的程序控制。而控制程序的输入还需要通过一个导入开关才能实现。然而，虽然主板上有 11 个接口，但是整个模型车系统只用到了接口 7 和接口B 两个接口，使整个系统并未变得特别复杂。模型车开始工作后，该 CPU 主板从接口 7 读取传感器数值，经过执行芯片中定义的接口程序和创建的主控制程序得出左、右马达和伺服舵机的响应动作及其输出值，并将其通过接口 B 输出到马达驱动基板，以达到
18、对模型车驱动系统控制的目的。2.42.42.42.4 马达驱动电路马达驱动电路马达驱动电路马达驱动电路马达驱动电路位于马达驱动基板上（马达驱动基板整体外观如图 7 所示），其作用是根据微处理器的指令来控制马达。但是来自微处理器的信号非常微弱，即使把马达直接与信号线相连，也不会产生任何响应。为了能控制马达，这个微弱的控制信号必须转化成可以诱发数百至数千毫安电流的信号。图 7要使马达旋转，只需施加相应的电压。而要使马达停止，只需撤掉电压即可。但是，要如何才能实现速度的精确控制呢？下面将对这个问题进行详述的讨论。采用调节电阻可以改变电压。但是，这个调节电阻必须具有很大的热容量，因为马达工作时，将有大
19、量的电流流向马达。对于没有施加到马达上的过剩电压，将会在电阻上以热辐射的形势被消耗掉。而此处采用的方法是不断重复高速的开、关操作来进行电压控制，其最终的结果就好像是高低电平间的某个电压值被输出。在固定的周期内，重复的开、关操作可以控制开、关比率的改变。这种控制方法称为“脉宽调制”，简称为 PWM 控制。脉宽的开通比率称为工作比率。当在一个周期内开通宽度被设定为 50%时，可以称作工作比率为 50%。还可以简称为 PWM50%。下图即为脉宽调制（PWM）的示意图。郑州大学机械工程学院7图 8不过“PWM”听起来有些难以理解。其实手动“接通”、“断开”马达与电池线的连接也被称为 PWM。当接通时间
20、较长时，马达旋转速度快。当断开时间较长时，马达旋转速度慢。手动“接通”、“断开”操作的执行可以在数秒内完成，但是，如果采用微处理器的话，这个过程只需要数毫秒。当这个 PWM 信号与马达相连时，马达的旋转速度就可以按照程序的设定来工作，哪怕只发生微小的变化。这样一来，精细的速度控制就能够实现了。当电路中连有发光二极管时，发光二极管的明亮程度可以通过 PWM 来改变。如果用 CPU 进行 PWM 控制，这项工作可以在数毫秒，甚至数微秒内完成。一个平稳的马达控制就可以实现了。这里，之所以采用脉宽控制，而不采用电压控制，是因为 CPU 非常善于处理数字值“0”和“1”，对于类似于 xV 这样的值处理起
21、来则非常困难。虽然通过改变“0”、“1”的宽度表现的就像是电压控制一样，但实际上却是 PWM 控制。马达正、反转以及刹车的控制是通过 H 桥电路来实现的。H 桥电路的原理图如图 9所示，马达位于中心位置，4 个开关分别位于两侧，共同构成一个 H 形。改变 4 个开关的状态就可以实现马达正、反转以及刹车的控制。此处的开关，是由 FET（场效应晶体管）组成的控制开关。P 沟型 FET 用在电源正极，N 沟型 FET 被用在负极。对于 P 沟型 FET 而言，当 G 端电压S 端电压时，导通电流。也就是说，无论是 P 沟型还是 N 沟型的 FET，只要 D 端与 S 端有电压，就会有电流从其中导通。
22、图 9必须注意：左侧或右侧的两个 FET 不能同时接通。因为，如果那样的话，10V 的电源与接地之间就没有任何负载存在了，就好像短路一样。它将会烧毁 FET 或者导线。马达在实现正、反转以及刹车的控制过程中，H 桥电路的左侧和右侧两个 FET 的 G端电压总是相同的。因此，可将左右两侧的上下两个 FET 的 G 端分别相连，以简化电路。郑州大学机械工程学院8当 H 桥电路被连接到整个控制电路中，并且执行 PWM 控制时，FET 将会变得很热。这是因为，当信号从 FET 的门输入，并且 PWM 控制在 FET 的 D 端与 S 端执行时，根据图 10 中的“理想波形”图可知，由于 P 沟型 FE
23、T 和 N 沟型 FET 反应迅速，正转与刹车之间可以实现平稳的转换。然而实际波形中却存在延时，并不能立即执行。事实上，FET由开变关时的延时要比由关变开时的延时长。正如图 10 中的“实际波形”所示。虽然延时很小，但是同侧的两个 FET 都将会因延时造成短时间导通，引起电路短路，并产生大量的热能。理想波形实际波形图 10从接通到实际开始产生反应的延时的持续时间称为“接通延时”，第一次打开到实际接通的时间称为“上升时间”。从断开到实际开始产生反应的延时的持续时间称为“断开时间”，第一次断开到实际断开的时间称为“下降时间”。实际上，由断开到接通的时间是“接通延时+上升时间”，由接通到断开的时间为
24、“断开时间+下降时间”。由于延时的作用，马达驱动电路会产生短路的现象。防止短路的方法是利用电路及FET 的开关特性来产生特定的延时，从而使同侧的 P 通道和 N 通道的 FET 不同时接通或断开。马达驱动基板中用来产生延时的部分是积分电路（图 11 所示）。因为有许多有关于积分电路的专业书籍，此处不对其作过多叙述。积分电路图如下，并可通过下式计算延时T=CRs。其中，电阻值为 9.1 千欧姆，电容大小为 4700 皮法，因此，延时 T=42.77us.图 11该电路中采用了 74HC14。对于 74HC 系列产品而言，当输入电压为 3.5V 或者更高时，电信号将会被转换为数字信号“1”。在 7
25、4HC14 的实际波形中，电压达到 3.5V 所需要的时间大约为 50us。这个 50us 的延时是由上面积分电路产生的。因为，除了 FET，数字晶体管对于电压转换的延时取决于 FET 门的容量。综上所述，我们可以得到较完整的马达驱动电路。下图即为左马达的驱动电路图。它除了包含积分电路和由 FET 组成的 H 桥电路外，还包含了正、反转变换电路。电路图中，PB1 是 PWM 的终端，PB2 可以改变马达的正、反转。当接口 PB1 信号为“0”时，可以郑州大学机械工程学院9实现马达制动；为“1”时，执行接口 PB2 能够实现的操作。而对于 PB2 的信号而言，为“0”时，马达正转；为“1”时，马
26、达反转。电路中还采用了分别由 74HC08 和 74HC32实现的与门电路和或门电路。图 12电路分析：晶体管元件 TR5、TR6、TR7、TR8 可以分别将 0V5V 的电压信号转换为 10V0V 的电压信号。当 PB1 的信号由“0”变为“1”时，FET2 的门电压由 10V 变为 0V，FET2 断开。然而，由于 FET2 自身延时的作用，FET2 的断开将会被拖延。此时，由于 FET1 和 FET2 均断开，马达将进入自由状态。由于积分电路也会产生延时，FET1 的门电压将会在自身延时和积分电路产生的 50us 延时后由 10V 变为 0V，FET1 接通。相反，当 PB1 的信号由“
27、1”变为“0”时，FET1 的门电压由 0V 变为 10V，FET1 断开。同样由于 FET1 自身的延时作用，FET1 的断开将也将会被拖延。此时，由于 FET1 和 FET2 均断开，马达也会进入自由状态。由于积分电路也会产生延时，FET2 的门电压将会在自身延时和积分电路产生的 50us 延时后由 0V 变为 10V，FET2 接通。对 FET3 和 FET4 的分析与FET1 和 FET2 类似。虽然马达驱动电路能很好的满足控制要求，可是，在过程中却去出现了暂时无法控制的自由状态。自由状态是为了避免短路，而由积分电路产生的。因此，在程序中无法控制这个自由状态。改变积分电路中电阻和电容的
28、值，就可以改变自由状态存在的时间。2.52.52.52.5 伺服舵机控制电路伺服舵机控制电路伺服舵机控制电路伺服舵机控制电路伺服舵机（如图 13 所示）为模型车的前轮转向机构，是模型车不可或缺的重要组成部分。其转动范围、响应速度及动作准确性均会对模型车的运行状态产生较大影响。伺服舵机的控制方法仍采用 PWM 控制，这样不仅能够保证动作的准确性，而且便于实现。图 13郑州大学机械工程学院10加载到伺服舵机的脉冲周期为 16ms，并且伺服舵机的转角大小取决于脉冲的接通宽度。伺服舵机的旋转角度与接通脉宽之间的关系为：当接通脉宽为 0.7ms 时，伺服舵机向左旋转 90 度；当接通脉宽为 1.5ms
29、时，伺服舵机位于中心位置；当接通脉宽为 2.3ms 时，伺服舵机向右旋转 90 度。控制该伺服舵机的 PWM 信号由 H8 微处理器的复位同步脉宽调制模式产生。并且由接口 B 的第 5 位输出。改变控制程序中的 ITU4_BRB（ITU4 寄存器中的缓冲寄存器）的值就可以实现对接通脉宽的调节。图 14伺服舵机的控制电路图如图 14 所示。虽然接口可以与伺服舵机的引脚 1 直接相连，但是或门电路仍然作为一个缓冲器而存在于电路中。因为，当电源线错误的与引脚 1 相连或者有噪声混入且使端脚毁坏时，如果采用直接相连的方法，微处理器的接口将被烧毁，那将是致命的。相比之下，如果采用 74HC32 作为缓冲
30、器，由于它的结构更简单、价格更便宜，即使毁坏，也不会造成太大的麻烦。伺服舵机的引脚 2 是电源供应接口。当为马达提供电源的电池少于 4 节时，JP1 的上部短接，直接与电源连接。当电池数多于 4 节时，为了避免电压过高，供给给伺服舵机的电压被 3 端调节器限定为 6V，并且 JP1 的下部短接。2.62.62.62.6 发光二极管电路发光二极管电路发光二极管电路发光二极管电路马达驱动基板上连有 3 个发光二极管。其中，两个（LED3 和 LED2）可以通过微处理器中的控制程序来控制其开/关状态。这两个发光二极管的负极分别直接与微处理器的接口 6 和接口 7 相连，正极与电源相连。限流电阻为 1
31、 千欧姆。显而易见，该电路中的导通电流 I=（电源电压发光二极管的端电压）/限流电阻。如果数字信号“0”从 PB7 输出，发光二极管 LED2 负极电势为 0V，电流导通，发光二极管工作。如果数字信号“1”从 PB7输出，发光二极管 LED2 负极电势为 5V，两端电压为 0V，电流不导通，发光二极管不工作。发光二极管 LED3 的工作原理与上述相同，不同之处是与接口 6 相连。郑州大学机械工程学院11图 152.72.72.72.7 开开开开/关电路关电路关电路关电路马达驱动基板上还有一个按钮开关，其作用是使模型车由无限等待状态跃变为开始执行主控制程序。该按钮开关通过 10 千欧姆的限流电阻
32、与接口 B 的第 0 位（即 PB0）相连。如果按钮没被按下，数字信号“1”将通过限流电阻输入到 PB0。相反，如果按钮被按下，数字信号“0”将会通过接地端输入到 PB0。图 162.82.82.82.8 电源电源电源电源众所周知，提升驱动系统的电压可以提高马达的旋转速度。整个模型车系统系统采用8 节 AA 型电池作为动力源，电压可以达到 9.6V。而这 8 节电池为控制系统和驱动系统所共享。对于马达，即使加载 9.6V 的电压也不会出现故障。然而，由于 CPU 能够保证正常工作的电压仅在 4.5V-5.5V 之间，如果电压高于 5.5V，CPU 将会损坏，如果电压低于 4.5V，CPU 将会
33、复位。因此，需要三端调节器（LM2940-5）将 CPU 控制系统电压限定为 5V。而 LM350 及其附件部分，将会产生供给给伺服舵机的 6V 恒定电压。郑州大学机械工程学院123 3 3 3MCUMCUMCUMCU 模型车的几何模型、运动学模型和动力学模型分析模型车的几何模型、运动学模型和动力学模型分析模型车的几何模型、运动学模型和动力学模型分析模型车的几何模型、运动学模型和动力学模型分析对 MCU 模型车的研究，除了要编写并调试相关的控制程序外，还要对其运动过程作深入的分析。模型车在赛道上的运行过程包括较多种情况，其中最典型的为弯道制动过程。对这些运行情况的综合分析，有利于我们更好地了解
34、模型车的整个运行过程，并为程序的编写提供充足的理论依据和科学的运行参数。本文以转弯过程为例，对模型车建立了相关的几何模型、运动学模型及动力学模型，并做了较详细的分析。3.13.13.13.1 模型车几何模型的建立与分析：模型车几何模型的建立与分析：模型车几何模型的建立与分析：模型车几何模型的建立与分析：模型车的几何模型如下：其左右后轮的中心距离 T=0.14m，前后轮轴心距 W=0.175m。图 17当模型车转弯时，伺服舵机转角与左右马达PWM值之间应保持一个确定的比例关系，使三者之间相互协调，才能保证模型车在弯道以最佳状态通过，其关系可通过下面的推导方法得出。在转弯过程中，左后轮、后轮轴中心
35、、右后轮以及伺服舵机中心的轨迹为同心圆，并设其轨迹半径分别为 r1、r2、r3 和 r。同时，设伺服舵机的转角为。根据图 18 所示几何关系，可得出 r2 与转角的关系为：tan=W/r2而由 r2 又可得出半径 r1 与 r3 的值：r1=r2-T/2；r3=r2+T/2若假设右马达的速度比率为 100，则可以求得舵机转向时与之相匹配的左马达的速度比率，其值为：r1/r3100。利用上述方法，可以求出右马达速度比率为 100，舵机转角从 1 度变至 45 度时，左马达相应的速度比率值。并以表格形式列出（参见附件）。若 右 马达 的 速 度比 率 不 是 100，此 时设 为 x，则 左马 达
36、 的 速度 比 率 为：x/100(r1/r3100)。郑州大学机械工程学院13图 18当在程序中涉及到伺服舵机转角时，除了降低马达转速以外，还要尽可能使左右后轮满足上述关系，以使伺服舵机和左右马达在模型车运行过程中达到相互协调的效果。上面讨论的是舵机左转时，左右马达的速度比率情况。对于舵机右转的情况分析，与上述思想相同。如果舵机的中心值调节合适，因为其具有对称性，可以通过将左转时左右马达的速度比率对换，即可得到右转时与舵机转角相对应的速度比率值。3.23.23.23.2 模型车动力学模型的建立与分析：模型车动力学模型的建立与分析：模型车动力学模型的建立与分析：模型车动力学模型的建立与分析：在
37、模型车的整个运动过程中，其弯道的动力学分析最具有代表性，难度也最大。本文以模型车弯道制动过程为例，来建立其动力学模型，并作简要分析。为了使对模型车的分析与汽车更接近，从而具有更深刻的实际意义，此处假设不存在舵机，模型车的转向依靠左前轮和右前轮的自身转向来实现。由于模型车的重量较实际汽车的重量轻许多倍，这样的假设并不会对模型车的理论分析造成太大的误差。当模型车在水平的弯道上等速行驶时，拟作如下的假设：1）模型车是做平行于路面的平面运动，即只有前进运动、侧向运动和绕垂直轴的横摆运动。不考虑其俯仰运动和侧倾运动，及制动时负荷的前后转移。但计及了做圆周运动时由于向心加速度引起的左右负荷转移。2）不考虑
38、制动过程中赛道摩擦系数的变化，即认为附着系数为常数。3）只考虑滚动阻力。郑州大学机械工程学院144）在制动过程中，当某一车轮（i 轮）达到附着极限工况时，认为该车轮所受的纵向力、侧向力和垂直力满足下面的关系：222)()(ziyixiFmFF=+式中xiF、yiF、ziF分别表示作用于车轮上的纵向力、侧向力和垂直力，单位 N；表示纵向道路附着系数；m 表示轮胎系数。下图为模型车弯道制动动力学模型。oxyz 为固结于模型车上的动坐标，o 为模型车的重心；x 轴、z 轴处于模型车纵向垂直于地面的中平分面内，z 轴过模型车垂心垂直于地面，指向下放为正；x 轴过重心平行于地面，指向模型车前进方向为正；
39、y 轴过重心，面对模型车前进方向时，指向右侧为正。根据右手定则确定模型车绕 z 轴的横摆角速度的正方向为顺时针方向。图 19该动力学模型中，模型车具有三个自由度：沿 x 轴的纵向运动 V；沿 y 轴的侧向运动 v；绕 z 轴的转动。根据达朗贝尔原理，可得到三自由度的模型车运动方程：=.)()(zziyixiIMVvMFvVMF式中 M模型车总质量，单位 kg；郑州大学机械工程学院15V模型车质心处速度在动坐标系中沿 x 轴方向的速度分量，单位 m/s；v模型车质心处速度在动坐标系中沿 y 轴方向的速度分量，单位 m/s；模型车绕 z 轴的横摆角速度，单位 rad/s；zI模型车对 z 轴的惯性
40、矩，单位 kg2m。设BiF（i=1，2，3，4）为作用于各轮上的地面制动力（N），其值为：=ziiBiFFFziiziiFFFFiF制动器制动力，N；ziF各轮所受的垂直负荷，N。由于模型车前轮无制动，即1F和2F均为 0，因此前轮的地面制动力为 0。而模型车的后轮转速是靠 PWM 值控制的。改变驱动后轮的 PWM 值，就可以改变后轮的转速。模型车后轮速度改变的过程，即为模型车的制动过程。其制动力的大小与 PWM 值的改变程度、齿轮啮合的紧密性及马达的响应速度密切相关。设车轮的滚动阻力为rF，其值为：MgfFer=，式中ef为滚动阻力系数。设iE（i=1，2，3，4）为各轮所受的侧向力，取轮
41、胎系数 m=1，其计算公式为：iE=0)(22iziiiFFkziiziiziiiiziiiiFFFFFkFFkF+且222222)()()()(式中ik为各轮的侧偏角刚度，N/rad；i为各轮的侧偏角，rad。而各侧偏角的计算公式如下：+=2121tVav+=2342tVbv+=2123tVav=2344tVbv12t、34t分别表示前后轴轮距，单位为 m。而代表前轮平均转角，单位为 rad。a、b 分别表示前轮轴心到重心的距离和后轮轴心到重心的距离，单位为 m。其中，模型车各轮垂直负荷的确定方法如下：郑州大学机械工程学院16当模型车处于静平衡状态时，各轮的静载荷为：MgLbFFzz2201
42、0=MgLaFFzz24030=当模型车转弯行驶时（右侧），左侧车轮负荷增大，右侧车轮负荷减小，左右各轮负荷转移量为：)()(.121112111211VvtMhMMhLbghMCChCFFssszz+=)()(.342222124131VvtMhMMhLaghMCChCFFssszz+=其中，1C、2C前后悬架侧倾角刚度，Nm/rad；h模型车悬挂质量质心至侧倾轴线的距离，m；1h、2h前后侧倾中心离地高度，m；1M、2M前后非悬挂质量，kg；1h、2h前后非悬挂质量质心至侧倾轴线的距离，m；sM模型车的悬挂质量，kg；L模型车前后轮轴的中心距离，m。因此，可知在模型车转弯制动过程中，各轮所
43、受的垂直动负荷为：10ziziziFFF+=（i=1，2，3，4）也就是说：)()()(2.12111211.1VvtMhMMhLbghMCChCvVHbgLMFsssz+=)()()(2.12111211.2VvtMhMMhLbghMCChCvVHbgLMFsssz+=)()()(2.34222212.3VvtMhMMhLaghMCChCvVHagLMFsssz+=)()()(2.34222212.4VvtMhMMhLaghMCChCvVHagLMFsssz+=综上所述，我们可以得到模型车在弯道制动过程中的动力学模型方程：郑州大学机械工程学院17=+=+=+.4334341212122121
44、.432121.432121)(2)(2sin)(cos)(sin)(cos)()(sin)(cos)()(sin)(cos)(zBBBBBBBBrBBBBIbEEtFFtEEFFaFFEEVvMEEFFEEvVMFFFEEFF通常情况下，模型车是由直道进入弯道的，因此模型车进入弯道时的初始条件为：mVV=0，00=v，00=，0.0=V，0.0=v，0.0=。可利用四阶龙格库塔法求解有关初值的问题，此处不作介绍。模型车在弯道的行驶过程为先做弯道制动运动，稳定后再做匀速圆周运动。上面已经对弯道减速制动过程的动力学模型做了详尽叙述，随后的匀速圆周运动过程与弯道减速制动过程的分析方法相似，且比较简
45、单，此处同样不做过多分析。3.33.33.33.3 模型车运动学模型的建立与分析：模型车运动学模型的建立与分析：模型车运动学模型的建立与分析：模型车运动学模型的建立与分析：此处同样以模型车在弯道的运动过程为例，进行建模分析。不考虑模型车的弯道制动过程，只分析其做匀速圆周运动的过程。模型车在弯道的理想运动状态是模型车舵机产生摆角后的运动轨迹与圆弧赛道为一组同心圆。设传感器基板中心运动轨迹半径为 R，舵机中心运动轨迹半径为 r，圆弧赛道中心半径为0r，传感器基板中心至圆弧赛道中心的距离为 d，舵机中心至传感器基板中心的距离为l。假设模型车在弯道运行过程中，传感器的状态保持不变，也就是说，舵机以恒定
46、的摆角通过弯道，则其运动学模型简图如下：图 20由于赛道为指定的赛道，则其弯角中心轨道的半径0r已知。而 l 和 d 的值可以通过测量获得。又根据几何关系得出：R-0r=d，r=22lR+且 W/r=sin。将上式联立，可得到郑州大学机械工程学院18模型车在理想状态下弯道运行的最佳舵机摆角值：22022)(arcsinarcsinarcsinldrWlRWrW+=+=并且，可以根据舵机摆角值求出与之相关的左右马达的速度之比。然而，模型车在赛道上的运行情况受到诸如：进入弯道前的直道速度、弯道制动过程、轮胎与赛道表面的摩擦系数、舵机的响应速度等一系列因素的影响，其理论值并不能很好的满足其运行状态。
47、因此，必须通过大量的实验对其理论值进行修改和校正，才能的到满意的运行结果。至此，我们已经完成了对模型车在赛道上运行的典型过程（即：弯道运行过程）的几何模型分析、动力学模型分析和运动学模型分析。而根据对弯道运行过程的建模与分析，我们又可以很容易得到模型车在任何运行情况下的模型，并能对其做出科学的理论分析。这对于模型车运行状态的研究有着至关重要的作用，并能依此对各运行状态编写相关的控制程序，最后经过综合得到能使模型车在指定赛道上顺利运行的主控制程序。郑州大学机械工程学院194 4 4 4MCUMCUMCUMCU 模型车在指定轨道上运行的程序设计模型车在指定轨道上运行的程序设计模型车在指定轨道上运行
48、的程序设计模型车在指定轨道上运行的程序设计MCU 模型车是在预先设定好的具有明显黑白条纹的赛道上运行的，具有自动识别功能的 MCU 汽车模型。它的自动识别控制主要靠输入到瑞萨科技所生产的单片机芯片中的控制程序来实现。由于模型车组件较多，结构较复杂，且功能多样，其中任何一部分出现问题都将会影响模型车的正常运行。为了保证各部分均能按指定的要求工作，我们还需要对每个部分分别进行调试。因此，特为其编写了两组程序，分别为测试程序 kit05test.c 和主程序 kit05.c。由于单片机不能直接执行 C/C+程序，必须将编好的测试程序 kit05test.c和主程序 kit05.c 进行转换后才能够输
49、入到单片机中。以主程序的转换过程为例：已经编好的程序 kit05start.src 与 kit05.c 分别经过汇编和编译后，生成的文件 kit05start.obj 和kit05.obj 再与文件 kit05.sub 进行连接，生成 kit05.abs，然后再将其进行编译就可以得到瑞萨单片机所能执行的 kit05.mot 文件。首先，介绍一下程序中定义的一些变量的意义及其计算方法。#defineTIMER_CYCLE3071#definePWM_CYCLE49151#defineSERVO_CENTER4585#defineHANDLE_STEP26#defineMASK2_20 x66#d
50、efineMASK2_00 x60#defineMASK0_20 x06#defineMASK3_30 xe7#defineMASK0_30 x07#defineMASK3_00 xe0#defineMASK4_00 xf0#defineMASK0_40 x0f#defineMASK1_10 x81ITU 标志着 CPU 操作时钟的时间。而 TIMER_CYCLE 是在 ITU0 寄存器中设置一毫秒时间所需要的值，它将会被存放到变量ITU0_GRA（通用寄存器A）中，通过与ITU0_CNT（定时器计数器）进行比较来设定这 1ms 的时钟周期。ITU0_CNT 好比时钟的秒针，每隔一段确定的时间