電控無碳小車的設計及研究

謝明升+元帥+張志研+王子棟+肖強

摘 要：根據第五屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽的要求，設計一輛三輪結構并且自主尋跡避障轉向的電控無碳小車。重錘是電控無碳小車唯一的能量來源。電控無碳小車由傳動部分、驅動部分、剎車系統、轉向系統、控制系統五大部分組成。最終能實現電控無碳小車上坡和自主避障的功能。

關鍵詞：電控無碳小車；PID控制；機電一體化

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賽命題基礎上的修改，保留了重力勢能驅動行進的特點，增加了自主尋跡避障轉向控制功能。

競賽要求如下：

（1）電控無碳小車采用三輪結構，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。小車應具有賽道障礙識別、軌跡判斷及自動轉向功能和制動功能，這些功能可由機械或電控裝置自動實現，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。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。

針對此要求設計了一輛電控無碳小車。

1 電控無碳小車結構組成

電控無碳小車由傳動部分、驅動部分、剎車系統、轉向系統、控制系統五大部分組成

2 無碳小車的設計

2.1 能量轉換的設計

小車是以1KG物塊下降400mm的重力勢能作為其動力來源的。采用重物下落來帶動軸上的繞線輪轉動，經過齒輪傳遞驅動后軸轉動的方式，來達到重力勢能轉為機械能的目的。考慮到小車上坡且開始的啟動力矩較大，繞線輪采用錐形，來調節扭矩。用細光軸作為輸出軸以確保小車平穩啟動，減少能量損失，并且低速勻速運動。

2.2 驅動部分[1]

驅動部分由車輪，一對齒輪，軸承，軸，繞線輪組成。

考慮到小車首先上坡需要一定的動能才能上坡，所以設計繞線輪為錐形。

從能量守恒的角度推導錐線輪最大徑與錐線輪錐線圈數：

（2.1）

其中：——小車總重量，——小車上坡高度，——錐線輪大輪直徑，——小車總傳動效率，——錐線輪細光軸直徑， ——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，小車在段上進行勻加速運動，當小車運行到坡底時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軸部分。

用錐線輪，其一是為了實現小車在上坡過程中能量能夠繼續以較大的值輸出，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，錐線輪錐線槽設計為內凹矩形狀（如圖1），解決了圓弧狀槽上繩子滑脫的問題[1]。

2.3 傳動部分

考慮到齒輪傳動的傳動比穩定，傳遞效率高，能量損失小，體積小且結構緊湊。該小車采用一級齒輪傳動。考慮到無碳小車的載荷沖擊非常小，決定采用小模數齒輪（m0.8）。

后輪采用兩個單向軸承模擬出差速器的原理，加工方便，結構簡單。

2.4 剎車系統

2.4.1 制動方式選擇

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，對于重力勢能所引起的無法消除，提出摩擦后輪內表面實現減速方法。

2.4.2 對于摩擦后輪要注意幾點

摩擦的同時性：由于小車為三輪行進方式，若小車后輪摩擦無法實現“同時”，將會導致小車將受彎矩導致小車可能出現側翻可能。

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

2.4.3 剎車結構介紹（如圖2）[2]

剎車結構包括兩個曲柄、舵機與舵機臂，通過鉸鏈連接方式實現曲柄連桿機構點剎。

2.5 轉向系統

2.5.1 結構組成

小車轉向由舵機控制前輪轉向，控制系統控制舵機使小車能夠完成自動避障的功能。

控制系統的數據采集由車身左右兩側的超聲波，正前方與兩個斜45°的光電開關組成。

2.5.2 工作原理

（1）當正前方的光電開關檢測到障礙物時，表面小車的沿邊的這一側有障礙物，舵機驅動前輪轉向使小車會正轉，直到一側的光電檢測不到障礙物才停止。此時說明小車成功越過了障礙物。

（2）當中間與另一側光電開光同時檢測障礙物，小車反轉開始。

（3）當中間的光電檢測不到障礙物，說明小車車身擺正，此時

通過PID進行調直。

（4）如果障礙物出現在小車沿邊的另一側，便只有另一側的光電可以檢測到障礙物，此時的小車會偏轉一個小角度進行避讓，通過后會迅速擺正，以此來躲避同側的障礙物。

2.5.3 PID工作過程

小車在前進過程中，通過左右兩側的超聲波控制小車貼壁行走，在小車預定偏離直線軌道時，通過PID調節，小車能自動控制舵機調整到預定軌跡上。

小車在彎道上行駛時PID控制系統便會實時根據超聲波的數據來修正前輪的角度，以實現小車圓滑的通過彎道。

2.6 控制系統[3]

2.6.1 控制系統介紹

避障小車接受信號既有開關量，又有模擬量。避障的過程中元件的主要特點是隨動性。小車采用的控制原理，以邏輯控制為主，閉環控制為輔。

傳感器包括超聲波，光電開關和光電測速碼盤。

控制系統核心CPU為STM32F103RCT6。

執行器由負責轉向的舵機和負責剎車的舵機構成。

2.6.2 控制系統程序設計

基于超聲波的數據的PID調節，小車在實際調節過程中只使用了PD調節，即，輸入為超聲波的數據。輸出為舵機控制信號的占空比，通過在實際情況中的系統動態特性變化，確定的值，實現小車的調直。以光電開關的信號判斷小車在避障過程中的位置情況，實現良好的避障效果。

3 結語

此次比賽采用了齒輪一級傳動，提高傳動效率。為了配合小車上坡，采用錐形繞線輪。下坡時利用剎車系統降低小車下坡速度，使小車平穩運行。電控方面為配合機械方面的剎車，利用碼盤測速找準剎車時機使能量損耗得以減少。

相對傳統的無碳小車比賽電控無碳小車使我們進入了一個全新的領域，對機械與自動化結合提出來更高的要求，必須聯調聯試才能得到更好的結果，并且也使我們學科知識面得到拓展。

參考文獻：

[1]濮良貴，陳國定，吳立言.機械設計（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

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

[3]李先允.自動控制系統[M].北京：高等教育出版社，2003.

作者簡介：謝明升（1996-），男，本科，主要研究方向：車輛工程。