第五章、 實驗平台架構與實驗
5.1 四輪轉向車輛實驗平台架構
本章將建構一輛四輪轉向模型車以驗證控制器之效能，車輛主要以遙控大腳模型車 為基礎，在其前、後輪皆裝設伺服機以控制轉向，並在伺服機下方裝設角度電位計測量 前、後輪轉向角度，車體重心上則裝有一顆陀螺儀測量車輛橫擺角速度、一顆加速規測 量車輛側向加速度。控制方面則是利用DSP 晶片實現，透過濾波器及以及變壓 IC 分別 與感測器和致動器相連結，同時將感測器量得的資料傳至SD 記憶卡做後續分析。
5.1.1 車體
田宮(TAMIYA)系列遙控車 TXT-1，如圖 5 - 1 所示，是 1/10 實車縮小比例的四輪轉 向遙控車，配備多連桿懸吊系統，前、後輪皆裝上伺服機控制轉向角，馬達至輪軸的齒 輪比為34：1，遙控器透過伺服機控制車輛前進後退，具有三種不同速度。
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圖5 - 1、TXT-1
5.1.2 致動器
實驗平台的致動器包含直流馬達以及伺服機兩個部分，直流馬達為車輛的動力來源，
而伺服機控制前、後輪轉向角度與車輛速度。
1. 直流馬達：提供實驗車動力來源，使用 FAULHABER 系列 3557 型 006C，實驗 平台共配備兩顆，後方可裝置編碼器。
2. 伺服機：實驗車配備三顆伺服機，其中兩顆伺服機分別控制前、後輪的轉向，
另一顆則是控制實驗車前進與後退速度。轉向部分的伺服機是採用雷虎公司型 號DS1015。另一顆伺服機使用 FUTABA 型號 S3003 控制車速，操控者透過遙 控器改變伺服機轉動位置，在不同的位置會改變電流通過馬達的迴路，不同的 迴路有不同的電阻，可改變直流馬達的供給電壓，使車輛在不同的速度下運行。
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5.1.3 感測器
一般市面上車輛重心會較靠近車體前半部，因此使實驗車的重心位置座落於車輛中 心點朝前輪方向1 cm 左右，並且在此位置裝設陀螺儀與加速規。實驗平台配備的感測 器總共包含四個部分：
1. 角度電位計：兩個 MIDORI 系列型號 QP-2H 角度電位計，安裝於前、後輪轉向 伺服機的下方，量測轉向角度。量測範圍是 45 度，輸出為類比訊號，操作電 壓為4.5 V~5.5 V，其靈敏度為 44 mV/度。
2. 陀螺儀：使用單軸陀螺儀 PR0021，其核心晶片為 ADXRS300，可量測至 300 度/秒，輸出為類比訊號，操作電壓 4.75 V~5.25 V，靈敏度約為 5 mV/度/秒，用 以量測車輛的橫擺角速度。
3. 加速規：三軸加速規 AGB_V2，可量測至 1.5 G，操作電壓 3.3 V，靈敏度為 800 mV/G，可量測車輛的側向加速度。
4. 編碼器：編碼器掛載於直流馬達後方，輸出為高 4 V 低 0.4 V 的方波訊號，操作 電壓4.5 V~5.5 V，可量測至 0.18 度，測得直流馬達的旋轉角度，經一次差分後 可得馬達轉速，再乘以齒輪比與輪胎直徑換算得車輛行駛速度。
5.1.4 數位訊號處理與周邊電路
本文使用DSP 晶片是德州儀器公司 TMS320C2000 系列 F2812[17]，是專門應用在 控制領域的高效能晶片，運算速度高達150 MHz，晶片裝置於美商 Spectrum Digital 所 生產的eZdspTM F2812 開發版[18]，操作電壓為 5 V，並利用德州儀器公司提供的工具 軟體Code Composer Studio[19]完成程式的編譯與除錯。
1. SD 記憶卡：實驗平台利用 SD 記憶卡儲存個個感測器的輸出值，透過 MATLAB 的分析，即可知道車輛行進間的物理運動狀況。
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2. 電壓轉換 IC：使用 AM26LV32C 這顆 IC 將編碼器的輸出高電位降至 3.3V，方 能輸入至DSP。而 HC541 這顆 IC 可將 DSP 輸出 PWM 訊號之高電位從 3.3 V 升至5 V，以控制前後輪轉向伺服機。
3. 抗交疊濾波器(Anti-aliasing filter)：實驗平台共使用四個抗交疊濾波器連接類比 訊號輸出的感測器與DSP 開發板的類比數位轉換器(ADC)，截止頻率為 2.39 Hz。
其中，陀螺儀及兩個角度電位計的輸出可能會大於3.3 V，故在這三個感測器所 使用的抗交疊濾波器後方須串接一個增益約 0.6 倍的放大電路，避免損壞 DSP 開發板。
5.1.5 完整的硬體架構
將上述的致動器、感測器、DSP 開發板與相關電路安裝至實驗車並完成電源配置後，
在實驗車行駛的同時，加速規、陀螺儀與角度電位計的訊號通過抗交疊濾波器後由DSP 的ADC 取得，而編碼器的訊號則先通過 AM26LV32C 後進入 DSP 的 QEP 解碼電路。
取得感測器量得的車輛資訊後，DSP 一方面將這些資料傳進 SD 記憶卡儲存，一方面將 資料傳遞給DSP 控制器，進而運算得到前後輪轉向角，並發出 PWM 訊號，通過 HC541 升壓至5 V 以操控伺服機轉向，實驗車架構如圖 5 - 2。
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圖5 - 2、完整的實驗車架構圖