“8”字型無(wú)碳小車(chē)起始定位工具的設(shè)計(jì)

李建波+張洪銘+李佺

摘 要：全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽是教育部高等教育司發(fā)文舉辦的全國(guó)性大學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)踐競(jìng)賽活動(dòng)，其競(jìng)賽主題是無(wú)碳小車(chē)的設(shè)計(jì)與制作，共分為三類(lèi)，分別是“S”型賽道避障行駛競(jìng)賽，“8”字型賽道避障行駛競(jìng)賽，重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的自控行走小車(chē)越障競(jìng)賽。本文介紹的工具是用于“8”字型賽道避障行駛競(jìng)賽中，確定無(wú)碳小車(chē)的出發(fā)位置。

關(guān)鍵詞：工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽；“8”字型；無(wú)碳小車(chē)；起始定位

全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽是教育部高等教育司發(fā)文舉辦的全國(guó)性大學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)踐競(jìng)賽活動(dòng)，是基于國(guó)內(nèi)各高校綜合性工程訓(xùn)練教學(xué)平臺(tái)，為深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提升大學(xué)生工程創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，促進(jìn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)而開(kāi)展的一項(xiàng)公益性科技創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。[1]其中的“8”字型賽道避障行駛競(jìng)賽是要求無(wú)碳小車(chē)的行進(jìn)軌跡繞中心兩桿周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使其軌跡成“8”字。為使小車(chē)能周期性行走“8”字型軌跡，就需要小車(chē)從出發(fā)位置行進(jìn)之后每走一圈都能使其軌跡盡可能重疊，以避免撞到所設(shè)障礙。小車(chē)行進(jìn)的軌跡由出發(fā)時(shí)小車(chē)所放置的位置以及小車(chē)三個(gè)車(chē)輪所放置的狀態(tài)決定，因此小車(chē)起始位置的確定對(duì)于小車(chē)行走“8”字型軌跡圈數(shù)的多少十分重要。

1 什么是無(wú)碳小車(chē)

無(wú)碳小車(chē)是以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車(chē)。驅(qū)動(dòng)其行走及轉(zhuǎn)向的能量是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由給定重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換而得到的。該給定重力勢(shì)能由競(jìng)賽時(shí)統(tǒng)一使用質(zhì)量為1Kg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼（￠50×65 mm，碳鋼制作）來(lái)獲得，要求砝碼的可下降高度為400±2mm。標(biāo)準(zhǔn)砝碼始終由小車(chē)承載，不允許從小車(chē)上掉落。

2 競(jìng)賽規(guī)則介紹

無(wú)碳小車(chē)是以重力勢(shì)能為唯一能量的、具有連續(xù)避障功能的三輪小車(chē)，其中“8”字型賽道避障行駛競(jìng)賽的競(jìng)賽場(chǎng)地在半張標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺(tái)（長(zhǎng)1525mm、寬1370mm）上，有3個(gè)障礙成“L”形放置， “L”形的長(zhǎng)邊在球臺(tái)的中線上，（放置球臺(tái)時(shí)“L”形的長(zhǎng)邊平行主看臺(tái)方向，短邊垂直且遠(yuǎn)離主看臺(tái)），經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)公開(kāi)抽簽，在400～500mm范圍內(nèi)產(chǎn)生“L”形的長(zhǎng)邊值，在300±50mm范圍內(nèi)產(chǎn)生“L”形的短邊值。小車(chē)需繞中線上的兩個(gè)障礙物按“8”字型軌跡運(yùn)行，障礙物為直徑20mm、長(zhǎng)200mm的3個(gè)圓棒，圓棒中心分別放置在“L”形的3個(gè)端點(diǎn)上，以小車(chē)完成8字繞行圈數(shù)的多少來(lái)評(píng)定成績(jī)。參賽時(shí)，要求小車(chē)以“8”字形軌跡交替繞過(guò)中線上2個(gè)障礙，保證每個(gè)障礙在“8”字形的一個(gè)封閉環(huán)內(nèi)，同時(shí)不碰倒第3個(gè)障礙。一個(gè)成功的“8”字繞障軌跡為：兩個(gè)封閉圖形軌跡和軌跡的兩次變向交替出現(xiàn)，變向指的是：軌跡的曲率中心從軌跡的一側(cè)變化到另一側(cè)。

3 起始定位的作用

無(wú)碳小車(chē)能夠周期性的按照“8”字型軌跡避障行駛，一方面取決于小車(chē)的加工精度、裝配精度，在小車(chē)的精度得到保障的前提下，小車(chē)才能在后續(xù)的調(diào)試過(guò)程中按照預(yù)先設(shè)計(jì)的軌跡行走，此外，當(dāng)小車(chē)本身的精度有所欠缺時(shí)，它的行進(jìn)軌跡每次都會(huì)有偏差，隨著小車(chē)的行進(jìn)逐漸撞到所設(shè)障礙。因此，后續(xù)的調(diào)試至關(guān)重要。有些誤差在調(diào)試時(shí)可以得到相應(yīng)的彌補(bǔ)，使其對(duì)小車(chē)行駛過(guò)程的影響降到最小。起始位置的確定是運(yùn)動(dòng)調(diào)試很重要的一個(gè)方面，一旦小車(chē)起始位置沒(méi)有選擇好或者在放置小車(chē)時(shí)稍有偏差，就會(huì)使小車(chē)很快撞到障礙物。當(dāng)小車(chē)軌跡存在一定偏差時(shí)，可以調(diào)整小車(chē)的初始位置使小車(chē)盡可能的行駛更多的“8”字形軌跡，例如小車(chē)軌跡每次都向左偏斜，就可以調(diào)整小車(chē)的初始位置，使小車(chē)行駛的第一圈盡可能的往右偏，這樣小車(chē)誤差累積的時(shí)間就會(huì)延長(zhǎng)，就能行走更多的“8”字形軌跡而不會(huì)撞到障礙物。

現(xiàn)在的起始位置確定更多的是憑借人在反復(fù)調(diào)試時(shí)所積累的經(jīng)驗(yàn)，靠人的感覺(jué)進(jìn)行確定，由于每次拆卸重新組裝后，小車(chē)的狀態(tài)都會(huì)有所差別，因此單憑經(jīng)驗(yàn)既不科學(xué)也不可靠，并且還會(huì)出現(xiàn)放置小車(chē)時(shí)由于人的抖動(dòng)改變了小車(chē)的狀態(tài)，使小車(chē)行駛的軌跡無(wú)法確定，很容易造成小車(chē)一出發(fā)就撞桿的后果。

4 定位工具的設(shè)計(jì)思想

小車(chē)的起始定位首先是基準(zhǔn)的建立，因?yàn)樾≤?chē)所要繞行的兩個(gè)桿是固定不動(dòng)的，因此以這兩根桿的位置為參考點(diǎn)，通過(guò)所設(shè)計(jì)的定位尺確定小車(chē)與它所要繞行的第一根桿的相對(duì)位置，這樣就確定了小車(chē)的位置基準(zhǔn)。此外，小車(chē)的出發(fā)狀態(tài)由前輪即轉(zhuǎn)向輪，后輪即行進(jìn)輪共同決定。小車(chē)的前輪與后輪位置依靠已經(jīng)建立好的基準(zhǔn)坐標(biāo)進(jìn)行定位。首先將小車(chē)的起始位置放置在兩個(gè)障礙物中間，這樣小車(chē)出發(fā)的理論初始狀態(tài)是前輪和后輪行進(jìn)方向平行，車(chē)身與兩根桿所在的直線形成一個(gè)夾角。

如圖1所示，定位工具由五部分組成，1是縱尺，2是主尺，3是連桿，4是前尺，5是斜尺?？v尺可以在主尺的槽內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)來(lái)改變位置，主尺和縱尺上面印有刻度便于準(zhǔn)確定位，主尺和縱尺用來(lái)確定小車(chē)與所繞桿的相對(duì)位置。小車(chē)大致位置確定后接下來(lái)確定小車(chē)出發(fā)的姿態(tài)即行進(jìn)輪和轉(zhuǎn)向輪的方向。斜尺和前尺分別用來(lái)記錄行進(jìn)輪和轉(zhuǎn)向輪的方向。在前期調(diào)試時(shí)大致摸索出小車(chē)偏斜程度，然后用定位工具進(jìn)行調(diào)試，用斜尺貼近小車(chē)的后輪，并將斜尺與前尺調(diào)成平行并固定好，通過(guò)主尺上的刻度確定斜尺的的偏斜角度，每調(diào)一次車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)斜尺一點(diǎn)角度，觀察小車(chē)的軌跡的調(diào)試，最終獲得理想的軌跡線。調(diào)整好斜尺的角度就意味著后輪的偏斜位置確定。下一步是確定前輪的行進(jìn)方向。前輪是轉(zhuǎn)向輪控制著小車(chē)出發(fā)后的狀態(tài)，前輪的角度變化牽一發(fā)而動(dòng)全身。由于小車(chē)制作和裝配時(shí)會(huì)有一定的誤差，所以前輪和后輪的方向在所放位置不一定平行，所以需要旋轉(zhuǎn)前尺微調(diào)其偏轉(zhuǎn)角度，通過(guò)小車(chē)前輪角度的調(diào)整彌補(bǔ)相關(guān)誤差，使小車(chē)的行走軌跡偏差更小。前輪和后輪的方向確定后，小車(chē)的出發(fā)狀態(tài)就全部確定了。這樣在小車(chē)每次出發(fā)時(shí)就可以利用定位尺記錄好的狀態(tài)出發(fā)，行走的軌跡就會(huì)確定下來(lái)。即使小車(chē)經(jīng)過(guò)拆卸重新組裝也可以利用定位尺快速確定出發(fā)狀態(tài)，大大提高了調(diào)試的效率。

5 小結(jié)

全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽是以無(wú)碳小車(chē)為主題，要求所設(shè)計(jì)的小車(chē)是“以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車(chē)”。學(xué)生從無(wú)碳小車(chē)的要求來(lái)定位，通過(guò)能耗的分析、模型的設(shè)計(jì)、實(shí)體的加工、運(yùn)動(dòng)的調(diào)試，獲得了完成一項(xiàng)工程的感悟。[2]而定位工具的設(shè)計(jì)與制作也是無(wú)碳小車(chē)設(shè)計(jì)與制作的一部分，它在無(wú)碳小車(chē)運(yùn)動(dòng)調(diào)試過(guò)程上的應(yīng)用減少了運(yùn)動(dòng)調(diào)試的時(shí)間，降低了小車(chē)出發(fā)狀態(tài)的不確定性，提高了小車(chē)的調(diào)試效率。

參考文獻(xiàn)

[1]武小梅，王星華，劉藝，等.基于實(shí)訓(xùn)教學(xué)的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力培養(yǎng) [J].中國(guó)電力教育，2010，（30）

[2]裴鑫智. 開(kāi)展大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽的意義——以無(wú)碳小車(chē)的改進(jìn)和優(yōu)化為例[J]. 山西科技，2015，05：103-104+109.