電控?zé)o碳小車的設(shè)計(jì)及研究

謝明升+元帥+張志研+王子棟+肖強(qiáng)

摘 要：根據(jù)第五屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽的要求，設(shè)計(jì)一輛三輪結(jié)構(gòu)并且自主尋跡避障轉(zhuǎn)向的電控?zé)o碳小車。重錘是電控?zé)o碳小車唯一的能量來源。電控?zé)o碳小車由傳動(dòng)部分、驅(qū)動(dòng)部分、剎車系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、控制系統(tǒng)五大部分組成。最終能實(shí)現(xiàn)電控?zé)o碳小車上坡和自主避障的功能。

關(guān)鍵詞：電控?zé)o碳小車；PID控制；機(jī)電一體化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.174

0 引言

此次大賽題目是在往屆競(jìng)賽命題基礎(chǔ)上的修改，保留了重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)行進(jìn)的特點(diǎn)，增加了自主尋跡避障轉(zhuǎn)向控制功能。

競(jìng)賽要求如下：

（1）電控?zé)o碳小車采用三輪結(jié)構(gòu)，其中一輪為轉(zhuǎn)向輪，另外二輪為行進(jìn)輪，允許二行進(jìn)輪中的一個(gè)輪為從動(dòng)輪。小車應(yīng)具有賽道障礙識(shí)別、軌跡判斷及自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能和制動(dòng)功能，這些功能可由機(jī)械或電控裝置自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，不允許使用人工交互遙控。

（2）電控裝置：主控電路必須采用帶單片機(jī)的電路，電路的設(shè)計(jì)及制作、檢測(cè)元器件、電機(jī)（允許用舵機(jī)）及驅(qū)動(dòng)電路自行選定。小車上安裝的電控裝置必須確保不能增加小車的行進(jìn)能量。

針對(duì)此要求設(shè)計(jì)了一輛電控?zé)o碳小車。

1 電控?zé)o碳小車結(jié)構(gòu)組成

電控?zé)o碳小車由傳動(dòng)部分、驅(qū)動(dòng)部分、剎車系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、控制系統(tǒng)五大部分組成

2 無碳小車的設(shè)計(jì)

2.1 能量轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)

小車是以1KG物塊下降400mm的重力勢(shì)能作為其動(dòng)力來源的。采用重物下落來帶動(dòng)軸上的繞線輪轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過齒輪傳遞驅(qū)動(dòng)后軸轉(zhuǎn)動(dòng)的方式，來達(dá)到重力勢(shì)能轉(zhuǎn)為機(jī)械能的目的。考慮到小車上坡且開始的啟動(dòng)力矩較大，繞線輪采用錐形，來調(diào)節(jié)扭矩。用細(xì)光軸作為輸出軸以確保小車平穩(wěn)啟動(dòng)，減少能量損失，并且低速勻速運(yùn)動(dòng)。

2.2 驅(qū)動(dòng)部分[1]

驅(qū)動(dòng)部分由車輪，一對(duì)齒輪，軸承，軸，繞線輪組成。

考慮到小車首先上坡需要一定的動(dòng)能才能上坡，所以設(shè)計(jì)繞線輪為錐形。

從能量守恒的角度推導(dǎo)錐線輪最大徑與錐線輪錐線圈數(shù)：

（2.1）

其中：——小車總重量，——小車上坡高度，——錐線輪大輪直徑，——小車總傳動(dòng)效率，——錐線輪細(xì)光軸直徑， ——錐線輪的螺距，——小車在水平路面上受到的總阻力，——小車發(fā)車線到上坡段坡底距離。

由（2.1）得出錐線輪大輪直徑。

在錐線輪為時(shí)，小車在段上進(jìn)行勻加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)小車運(yùn)行到坡底時(shí)繩子繞上錐線輪錐線部分，并在上坡后繩子脫離錐線輪錐線槽繞底并繞上細(xì)軸部分。

用錐線輪，其一是為了實(shí)現(xiàn)小車在上坡過程中能量能夠繼續(xù)以較大的值輸出，其二是為了使繩子順利的從錐線輪半徑較大的部分過渡到細(xì)光軸上，防止半徑的直接跨度引起繩子的突降。為了防止繩子脫出，錐線輪錐線槽設(shè)計(jì)為內(nèi)凹矩形狀（如圖1），解決了圓弧狀槽上繩子滑脫的問題[1]。

2.3 傳動(dòng)部分

考慮到齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比穩(wěn)定，傳遞效率高，能量損失小，體積小且結(jié)構(gòu)緊湊。該小車采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)。考慮到無碳小車的載荷沖擊非常小，決定采用小模數(shù)齒輪（m0.8）。

后輪采用兩個(gè)單向軸承模擬出差速器的原理，加工方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

2.4 剎車系統(tǒng)

2.4.1 制動(dòng)方式選擇

由于采用差速方式為單向軸承差速，將軸抱死僅僅減少重錘部分能量輸入，對(duì)于重力勢(shì)能所引起的無法消除，提出摩擦后輪內(nèi)表面實(shí)現(xiàn)減速方法。

2.4.2 對(duì)于摩擦后輪要注意幾點(diǎn)

摩擦的同時(shí)性：由于小車為三輪行進(jìn)方式，若小車后輪摩擦無法實(shí)現(xiàn)“同時(shí)”，將會(huì)導(dǎo)致小車將受彎矩導(dǎo)致小車可能出現(xiàn)側(cè)翻可能。

后輪的抱死性：由于摩擦后輪若摩擦半徑過大將導(dǎo)致產(chǎn)生較大摩擦力矩，致使后輪抱死容易出現(xiàn)小車前傾。

2.4.3 剎車結(jié)構(gòu)介紹（如圖2）[2]

剎車結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)曲柄、舵機(jī)與舵機(jī)臂，通過鉸鏈連接方式實(shí)現(xiàn)曲柄連桿機(jī)構(gòu)點(diǎn)剎。

2.5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

2.5.1 結(jié)構(gòu)組成

小車轉(zhuǎn)向由舵機(jī)控制前輪轉(zhuǎn)向，控制系統(tǒng)控制舵機(jī)使小車能夠完成自動(dòng)避障的功能。

控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集由車身左右兩側(cè)的超聲波，正前方與兩個(gè)斜45°的光電開關(guān)組成。

2.5.2 工作原理

（1）當(dāng)正前方的光電開關(guān)檢測(cè)到障礙物時(shí)，表面小車的沿邊的這一側(cè)有障礙物，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向使小車會(huì)正轉(zhuǎn)，直到一側(cè)的光電檢測(cè)不到障礙物才停止。此時(shí)說明小車成功越過了障礙物。

（2）當(dāng)中間與另一側(cè)光電開光同時(shí)檢測(cè)障礙物，小車反轉(zhuǎn)開始。

（3）當(dāng)中間的光電檢測(cè)不到障礙物，說明小車車身擺正，此時(shí)

通過PID進(jìn)行調(diào)直。

（4）如果障礙物出現(xiàn)在小車沿邊的另一側(cè)，便只有另一側(cè)的光電可以檢測(cè)到障礙物，此時(shí)的小車會(huì)偏轉(zhuǎn)一個(gè)小角度進(jìn)行避讓，通過后會(huì)迅速擺正，以此來躲避同側(cè)的障礙物。

2.5.3 PID工作過程

小車在前進(jìn)過程中，通過左右兩側(cè)的超聲波控制小車貼壁行走，在小車預(yù)定偏離直線軌道時(shí)，通過PID調(diào)節(jié)，小車能自動(dòng)控制舵機(jī)調(diào)整到預(yù)定軌跡上。

小車在彎道上行駛時(shí)PID控制系統(tǒng)便會(huì)實(shí)時(shí)根據(jù)超聲波的數(shù)據(jù)來修正前輪的角度，以實(shí)現(xiàn)小車圓滑的通過彎道。

2.6 控制系統(tǒng)[3]

2.6.1 控制系統(tǒng)介紹

避障小車接受信號(hào)既有開關(guān)量，又有模擬量。避障的過程中元件的主要特點(diǎn)是隨動(dòng)性。小車采用的控制原理，以邏輯控制為主，閉環(huán)控制為輔。

傳感器包括超聲波，光電開關(guān)和光電測(cè)速碼盤。

控制系統(tǒng)核心CPU為STM32F103RCT6。

執(zhí)行器由負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向的舵機(jī)和負(fù)責(zé)剎車的舵機(jī)構(gòu)成。

2.6.2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

基于超聲波的數(shù)據(jù)的PID調(diào)節(jié)，小車在實(shí)際調(diào)節(jié)過程中只使用了PD調(diào)節(jié)，即，輸入為超聲波的數(shù)據(jù)。輸出為舵機(jī)控制信號(hào)的占空比，通過在實(shí)際情況中的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變化，確定的值，實(shí)現(xiàn)小車的調(diào)直。以光電開關(guān)的信號(hào)判斷小車在避障過程中的位置情況，實(shí)現(xiàn)良好的避障效果。

3 結(jié)語

此次比賽采用了齒輪一級(jí)傳動(dòng)，提高傳動(dòng)效率。為了配合小車上坡，采用錐形繞線輪。下坡時(shí)利用剎車系統(tǒng)降低小車下坡速度，使小車平穩(wěn)運(yùn)行。電控方面為配合機(jī)械方面的剎車，利用碼盤測(cè)速找準(zhǔn)剎車時(shí)機(jī)使能量損耗得以減少。

相對(duì)傳統(tǒng)的無碳小車比賽電控?zé)o碳小車使我們進(jìn)入了一個(gè)全新的領(lǐng)域，對(duì)機(jī)械與自動(dòng)化結(jié)合提出來更高的要求，必須聯(lián)調(diào)聯(lián)試才能得到更好的結(jié)果，并且也使我們學(xué)科知識(shí)面得到拓展。

參考文獻(xiàn)：

[1]濮良貴，陳國定，吳立言.機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

[2]孫恒，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

[3]李先允.自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：高等教育出版社，2003.

作者簡(jiǎn)介：謝明升（1996-），男，本科，主要研究方向：車輛工程。