重力勢能驅動的智能越障小車的設計

葛桐旭　吳藝偉　胡志超

摘要：小車由重力勢能驅動與智能越障兩部分構成。重力勢能驅動部分，小車直接運用重力勢能通過傳動系統轉換的動能驅動前進；智能越障部分需要加入MEGA2560單片機、Arduino程序控制電路、舵機以及超聲波傳感器；通過超聲波傳感器來探測障礙物并測量距障礙物的距離，然后將信息傳給單片機進而控制舵機執行轉向越障功能。應用Creo軟件進行小車的部分實體建模，在建模的基礎上對各個零件進行詳細設計。

關鍵詞：重力勢能；智能越障；超聲波；單片機；Arduino；Creo軟件

2014年6月在兩院院士大會講話中，習近平總書記引用《禮記·大學》名句“茍日新，日日新，又日新”，直指“我國科技發展的方向就是創新、創新、再創新”。“惟創新者進，惟創新者強，惟創新者勝”。通過培養創新能力進而得到創新型人才，這樣的人才將會對社會的發展與科技的進步做出更多的貢獻。前幾屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽都以“無碳小車”為命題，突出強調了節能減排。重力勢能驅動的智能越障小車是無碳小車的進一步升華，該命題更接近生活，更具有實際的價值。

1 作品設計

該項目的研究在如今汽車發展應用中具有重要意義。

一方面，汽車尾氣排放不斷增多、全球變暖問題日益嚴峻，這些情況讓汽車生產商家重新規劃汽車未來的發展方式。雖然在汽車的研發方面也有了一定的突破，但這些成本高、性能還遠遠達不到要求。因此，新興能源的研究開發及使用變得尤為重要。

另一方面，傳感器、單片機、舵機等部件通過程序控制小車起到越障的功能。如今許多家用汽車的ACC自適應巡航技術在一定程度上減輕駕駛員疲勞駕駛，更高端的汽車公司向無人駕駛技術方面發展。

1.1 設計的總體方案

重力勢能驅動的智能越障小車分為兩部分。驅動部分：小車上自帶重物下落產生重力勢能，通過傳動系統傳動到驅動輪，進而驅動小車前進；轉向越障部分：小車周圍安裝傳感器，采集障礙物信息，反饋給單片機，進而控制舵機執行轉向越障。

1.2 傳動方式方案優選

方案一 鏈輪傳動：鏈傳動運用廣泛，能夠保證傳動比，效率高，負載能力很強，傳遞功率較大。但該方案傳動成本高，容易磨損，傳動平穩性較差。

方案二 帶傳動：帶傳動效率較高，結構簡單；但智能越障小車中兩個傳動軸的中心距較小，不易保證包角。

方案三 齒輪傳動：齒輪傳動的效率高，結構緊湊，傳動比穩定，并且傳動功率和速度范圍廣。

綜合比較，最終選取齒輪傳動，因為齒輪傳動的效率較高，采用線切割技術加工鋁板，齒輪精度較高，且結構緊湊，質量不會太大。

1.3 后輪驅動方式方案優選

方案一 雙輪同步驅動：該方式在轉向時產生輪子在地面打滑的現象，對小車的前行造成影響；相比滾動摩擦，滑動摩擦損失的能量更多。

方案二 雙輪差速驅動：該方式可以利用差速器實現，完成小車的軌跡行駛。但是差速器的制造精度要求高、體積大、重量大。

方案三 單輪驅動：單輪驅動即一個后輪固定在軸上成為驅動輪，另一個后輪通過軸承和軸配合作為從動輪。

綜上比較，單輪驅動具有結構簡單、能量利用率高、傳動精度高等優點。因此，最終選擇單輪驅動作為小車的后輪驅動方式。

2 底板工藝分析

3 材料

（1）小車底板、后車輪、前后側板采用5mm厚的有機玻璃板；（2）支架采用5mm厚的鋁板；（3）小齒輪采用5mm厚的鋁板；（4）采用直徑為10 mm的碳素桿；（5）軸套、前叉、齒輪套采用3D打印材料。

4 項目總結

該項目是重力勢能驅動的智能越障小車。首先我們要明白智能避障小車的工作原理，然后熟悉各個工件的功能，最后應用Creo軟件進行小車的部分實體建模，在建模的基礎上對各個零件進行詳細設計。應用Arduino軟件編寫控制程序，基本實現預期的功能。

參考文獻：

[1]Brian Evans著，楊繼志，郭敬譯.Arduino編程從基礎到實踐.中國工信出版集團：電子工業出版社.

[2]濮良貴，陳國定，吳立言.機械設計.9版.北京：高等教育出版社，2013，5.

[3]李剛，周致成，袁航，等.S型專項運動無碳小車的改進設計研究[J].汽車實用技術，2014（2）：1316.

[4]吳新良，劉建春，鄭朝陽.重力驅動的避障小車設計與制造[J].機械設計，2014，30（10）：2528.

作者簡介：

葛桐旭（1996），女，漢族，河北景縣人，西南石油大學，本科，研究方向：機械工程；

吳藝偉（1996），女，漢族，河南杞縣人，西南石油大學，本科，研究方向：土木工程；

胡志超（1993），男，漢族，四川開江人，西南石油大學，本科，研究方向：機械工程。