重力勢能驅動的自控無碳小車設計

張 普，李 森，劉 洋

（西南科技大學，四川綿陽621010）

重力勢能驅動的自控無碳小車設計

張 普，李 森，劉 洋

（西南科技大學，四川綿陽621010）

針對第五屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽題目，設計一輛以重力勢能驅動的自控行走的無碳小車，小車具有賽道障礙識別、軌跡判斷及自動轉向功能和制動功能。本文設計并加工出一輛滿足比賽要求的小車。實踐表明，該小車結構合理、操作簡單、運行軌跡符合大賽要求，小車運行平穩、行程遠、避障多、設計方案優良并取得較好的成績，為自控無碳小車及相關機構應用研究提供參考價值。

無碳小車；工程訓練大賽；自控

全國大學生工程訓練綜合能力競賽是由教育部高教司主辦的重要的全國性大學生賽事之一，自控行走的無碳小車越障是其中的競賽項目之一。本文針對比賽要求自主設計并制作了一種將重力勢能轉換為前進的動能并具有自主避障轉向控制功能的無碳小車。賽道如圖1所示。

圖1 無碳小車賽道軌跡

小車為三輪結構，其中一輪為轉向輪，另外二輪為行進輪。允許二行進輪中的一個輪為從動輪。小車驅動、行走及轉向的能量是根據能量轉換原理，由給定重力勢能轉換而得到的。該給定重力勢能由競賽時使用質量為1 kg±5 g的重錘獲得。要求砝碼的可下降高度為（400±2）mm.重錘由小車承載，不允許從小車上掉落。電控裝置：主控電路必須采用帶單片機的電路，電路的設計及制作、檢測元器件、電機（允許用舵機）及驅動電路自行選定。電控裝置所用電源為5號堿性電池，電池自備，比賽時須安裝到車上并隨車行走。小車上安裝的電控裝置必須確保不能增加小車的行進能量。圖2為小車示意圖。

圖2 小車設計示意圖

1 結構設計

（1）加減速結構

無碳小車在行駛過程中要求保證運行平穩，由于無碳小車在整個賽道運行中會出現平路和上下坡道，考慮到無碳小車結構盡量簡單、可行，采用階梯形繞線軸實現加速，在后輪軸上增加橡膠圈，通過舵機控制制動桿摩擦橡膠圈實現減速制動。圖3所示為摩擦膠圈和繞線變速器。

圖3 摩擦膠圈和繞線變速器

（2）轉向驅動控制結構

具有自控功能的無碳小車是一個機電結合的作品，此競賽的一大難點在于小車結構需要穩定、適應不同賽道的能力強，轉向機構對整個比賽起著重要作用。轉向機構在滿足轉向功能要求的前提下，盡量結構簡單，能量消耗小，便于安裝調試，因此選擇的是通過直接控制轉向軸轉向。轉向軸結構如圖4所示。

圖4 轉向輪設計

（3）材料選擇

小車的加工，首先考慮到小車運行路段曲折且有上下坡，為了保證小車運行穩定，因此小車不能太重也不能太輕。綜合考慮選擇鋁合金作為車身加工材料[1]；齒輪需滿足摩擦系數低、耐磨損、自潤滑性好等綜合因素最終選擇尼龍齒輪[2]，安裝時采用不完全嚙合；轉向舵機安裝架和制動舵機安裝架以及其他小零部件由于結構復雜不具有標準化，因此選擇利用3D打印[3]進行加工。

（4）驅動設計

小車行進能量來源于重物鉛垂下落的重力勢能，要是重物下落的行程轉化為小車在水平方向的行程，需要由細繩通過定滑輪帶動繞線軸的旋轉，繞線軸上的齒輪與后軸齒輪嚙合，采用一級齒輪傳動[4-5]（傳動比為5.5∶1）、雙輪差速驅動[6]，實現繞線軸到主動軸的動能傳遞，并起到行程放大作用從而實現小車的整體前進。此處齒輪傳動的作用就可以將重物下降行程放大到小車整體水平行程上。通過改變繞線輪直徑及制動機構實現增速及減速控制，小車啟動時繞線輪直徑最大為32 mm，平坦路段平穩避障時直徑最小為6 mm，下坡時直徑為6mm.

2 控制系統設計實現

（1）硬件電路設計

重力勢能的正常下落和車體的有效避障相互配合關系到車體能否正常運行，因此有效的避障系統設計就至關重要。本系統采用滿足功能操作簡單的Arduino單片機[7]作為主控，選擇漫反射式光電式傳感器CHE18-30NA-BPB710，與視覺傳感器相比光電式傳感器可以得到距離信息。這是因為視覺傳感器只能檢測到物體的存在，而不能檢測到障礙物和小車之間的距離，相反，光電式傳感器在檢測到有物體的同時也可以得到與物體的距離信息[8]。不過在僅用兩個傳感器的情況下，車體視角較小，檢測效果不理想，所以增加到4個對稱光電傳感器，其中兩個傳感器近乎平行于車體向前，另外兩個傳感器位于小車的左前方和右前方的35°角位置，擴大檢測角度。光電式傳感器安裝如圖5所示。

圖5 光電式傳感器安裝

車體制動使用反應速度是0.2 s/60°標準的38G舵機SG5010雙軸承舵機。針對賽道坡道，采用MPU6050陀螺儀對車體姿態角進行測量[9]，以此判斷小車是否進入下坡階段并減速剎車。

（2）控制策略

接通電源后，小車首先進行初始化各個外設，并進行自檢各個模塊。如果自檢失敗，初始化不通過，則報警提示。正常工作時，光電式傳感器一直掃描障礙物，不斷從陀螺儀讀取小車的姿態角。當光電式傳感器檢測到障礙物時，會發出低電平信號給單片機，單片機會根據傳感器的信號，進行解碼分析，判斷避障條件，控制轉向舵機工作；當采集的姿態角小于-5°時，控制剎車舵機工作，實現小車制動?？刂葡到y的設計流程如圖6所示。

圖6 避障流程圖

小車的避障模式受賽道的設置所限制，這里選擇1 m障礙物間距進行分析，圖7為小車避障的示意圖。

圖7 小車避障示意圖

根據小車運行的狀態，定義小車前方的四個光電式傳感器從左到右為：A、B、C、D.根據實際情況，定義如果沒檢測到障礙物，則為原變量，如果檢測到障礙物，則為反變量。經過反復調試，總結出適于車體和賽道的公式。

執行上一次轉角：S=AB軍C軍D+A軍B軍C軍D軍（1）

左轉小角度：S=ABCD軍+ABC軍D（2）

左轉中角度：S=ABC軍D軍（3）

左轉大角度：S=AB軍C軍D軍（4）

右轉小角度：S=A軍BCD+AB軍CD（5）

右轉中角度：S=A軍B軍CD（6）

右轉大角度：S=A軍B軍CD軍（7）

其他情況下，默認直行。式中，小角度為12° ~14°，中角度為27°，大角度為36°，S代表由傳感器檢測到數據后單片機對應的輸出。實踐證明，該方案能適應不同間距的避障。

3 結束語

本次設計的無碳小車結構穩定，能適應不同障礙物間距，采用摩擦制動結構與繞線加速器，使小車行駛的距離更遠。通過設計硬件電路與控制策略，從而更加容易的避開障礙。本文設計的自控無碳小車結構簡單、傳動件少、質量小，大大地降低了能量的損耗，小車行駛平穩且更遠。實踐證明，設計出的小車具有較高的穩定性與可靠性，能滿足比賽要求[10]。

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[8]卞云松.基于Arduino單片機的避障小車機器人[J].自動化技術與應用，2014（01）：16-19.

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[10]林宇，方方，林澤萍，等.基于MPU6050三軸傾角測

控設計[J].數字技術與應用，2016（01）：181.

Design of Automatic Carbon Free Car Driven by GravitationalPotentialEnergy

ZHANG Pu，LISen，LIU Yang
（Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan 621010，China）

According to the fifth national engineering college students comprehensive ability training contest topic to design a car without carbon driven by gravitational potential energy automatic walking track，the car has the obstacle recognition，trajectory judgment and automatic steering function and braking function.In this paper，a car is designed and manufactured to meet the requirements of the competition.Practice shows that the car has reasonable structure，simple operation，running track with competition for the car，stable operation，long travel，obstacle avoidance，excellent design and achieved good results，for the automatic car without carbon and related agencies to provide reference to the application of research.

carbon free car；engineering training competition；automatic control

TH122

A

1672-545X（2017）04-0039-03

2017-01-21

張普（1994-），四川資陽人，男，本科，研究方向為模具、機電、計算機。