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(廣東海洋大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，廣東 湛江 524088)

0 引言

本課題是基于2017年廣東省工科大學(xué)生實(shí)驗(yàn)綜合技能競(jìng)賽[1]而提出的，主題為“慣性避障小車的設(shè)計(jì)與制作”。即設(shè)計(jì)制作出一款慣性避障小車，能在規(guī)定的斜坡以自身勢(shì)能釋放獲得總動(dòng)力，使其自身能行駛盡可能長(zhǎng)的距離，同時(shí)能根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路識(shí)別并避開(kāi)路上所設(shè)計(jì)的障礙。與其他同類型小車相比，該車在結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)更注重能量的轉(zhuǎn)換和利用率，在電路與程序上的設(shè)計(jì)更注重識(shí)障越障的靈敏度。

1 慣性避障小車總體設(shè)計(jì)方案

1.1 小車設(shè)計(jì)要求

1)小車總質(zhì)量不超過(guò)1000 g且主體為三輪結(jié)構(gòu)。

2)小車動(dòng)能從其在斜坡上的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換獲得。

3)電控裝置的主電路采用帶單片機(jī)。電路板、檢測(cè)元器件、舵機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路自行選定。電控裝置所用電池自備，比賽時(shí)須安裝到車上并隨車行走，只能用于轉(zhuǎn)向避障。

4)競(jìng)賽賽道為寬度2 m，長(zhǎng)約40 m的長(zhǎng)形賽道(圖1)，賽道邊緣設(shè)有高度為80 mm的擋板。賽道上距離出發(fā)線10 m處放置第一個(gè)障礙，其后間隔不等交錯(cuò)設(shè)置多個(gè)障礙墻。出發(fā)時(shí)斜坡的斜度10°～20°，斜坡水平投影長(zhǎng)度約900 mm。

圖1 場(chǎng)地示意圖

1.2 小車方案分析

為使小車能自主避障且滑行的距離更長(zhǎng)，小車總體須擁有以下特點(diǎn)：

1)能識(shí)別前方擋板并自主避開(kāi)。

2)自身的重力勢(shì)能要高。

3)所受的阻力盡可能小。

為此，小車的輪子分布為“一前二后、前小后大”，車體為兩塊較輕的側(cè)板，而設(shè)計(jì)的電控裝置固定在車體上方靠后。

2 慣性避障小車設(shè)計(jì)思路

圖2 慣性避障小車實(shí)物圖

基于分析總結(jié)，小車重心位置要恰當(dāng)、滑行過(guò)程要平穩(wěn)、能量損耗要低；電控元件的選擇要合適、編寫的程序運(yùn)行要穩(wěn)定。慣性避障小車實(shí)物，如圖2所示。為使小車在斜坡與地面交接處不前翻，且在轉(zhuǎn)彎過(guò)程平穩(wěn)，其后輪和前輪間的中心距通過(guò)軟件運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真與多次實(shí)車調(diào)試分析，設(shè)為12.6 mm較宜?？傑嚹芎姆謨?nèi)能耗和外能耗兩方面：內(nèi)能耗主要由零件加工、裝配不當(dāng)造成； 而外能耗主要是滾動(dòng)摩擦造成。為此需保證零部件加工精度及裝配精度，減少后車輪與地板的接觸面積。最后，為使小車能敏銳地識(shí)障避障，電控裝置采用STM32單片機(jī)控板、紅外測(cè)距傳感器及小型舵機(jī)。

3 慣性避障小車關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 后輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于競(jìng)賽命題要求，小車動(dòng)能通過(guò)自身重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化獲得，而小車在斜坡釋放高度一定。若要獲得較大勢(shì)能，則將小車大部分質(zhì)量集中在后車輪以抬高該車質(zhì)心。同時(shí)，車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與小車行走距離成正比，即增大車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可獲得較大的行走距離。車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算[2]過(guò)程：不妨設(shè)后輪緣的重量為mg、外圓半徑為R0、內(nèi)圓半徑為R1、平均半徑為R，由于輪輻及輪轂直徑轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對(duì)于輪緣較小，故可忽略不計(jì)。則后輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約為：

圖3 后輪結(jié)構(gòu)

同時(shí)，考慮到實(shí)際加工誤差及材料缺陷導(dǎo)致左右后車輪質(zhì)量不等，使小車質(zhì)心偏離對(duì)稱線，導(dǎo)致其滑行過(guò)程中會(huì)偏向質(zhì)量較輕一側(cè)。因此，將后輪質(zhì)量集中在輪緣上，并在輪輻和輪轂之間增加相應(yīng)配重塊，如圖3所示。最后，為減少滾動(dòng)摩阻，便于轉(zhuǎn)向，將車輪與地板設(shè)計(jì)成線接觸形式。

3.2 側(cè)板設(shè)計(jì)

考慮到風(fēng)阻影響，在保證小車質(zhì)心位置最高及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，車身結(jié)構(gòu)采用鏤空處理的鋁合金側(cè)板，將其整體設(shè)計(jì)成流線型[3]，以減小風(fēng)阻。而兩側(cè)板通過(guò)雙通尼龍柱固定連接，以保證小車整體強(qiáng)度，如圖4所示。

3.3 前輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)競(jìng)賽要求，需回收小車前輪及前車軸。將其設(shè)計(jì)成易拆裝安裝結(jié)構(gòu)。經(jīng)分析得知，最佳方案是將前車架設(shè)計(jì)為叉架式，并通過(guò)螺栓預(yù)緊力將前車軸夾緊。而前輪與地板設(shè)計(jì)成線型接觸，減少摩擦，方便轉(zhuǎn)向。前輪結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖4 側(cè)板形狀 圖5 前輪結(jié)構(gòu)

3.4 電控設(shè)計(jì)

3.4.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

慣性壁障小車系統(tǒng)的功能框圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)功能框圖

該系統(tǒng)主要由電源模塊、核心控制板、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和舵機(jī)組成。電源模塊由7.4 V鋰電池供電，利用穩(wěn)壓模塊將電壓降至5 V供給紅外測(cè)距傳感器和核心控制板使用，同時(shí)電源模塊也給舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊通電。紅外測(cè)距模塊[4]使用夏普的GP2Y0A21YK0F，檢測(cè)范圍為0～800 mm。舵機(jī)采用MG90S，其性價(jià)比高、扭矩大、反應(yīng)靈敏。核心控制板采用具有32位處理器的STM32F103C8T6芯片[5]，該芯片內(nèi)部含有2個(gè)獨(dú)立的ADC轉(zhuǎn)換通道[6]，能直接采集紅外測(cè)距傳感器數(shù)據(jù)，極大地簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)。

3.4.2 電路設(shè)計(jì)

根據(jù)競(jìng)賽的要求，需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行焊接電路板，所以在滿足競(jìng)賽要求的前提下，盡可能地使用模塊，讓電路焊接更加容易。

為適應(yīng)車身大小，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用5 V的穩(wěn)壓模塊。同時(shí)，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和傳感器的供電由電源模塊并聯(lián)提供，能極大減少舵機(jī)回流對(duì)傳感器電壓的影響，提高傳感器的穩(wěn)定性。電路原理圖如圖7所示(P9為電源排針，P10為開(kāi)關(guān)，P1和P4分別為穩(wěn)壓模塊的輸出端，P2和P3分別是穩(wěn)壓模塊的輸入端，P6和P7分別為紅外傳感器的正負(fù)極，P5和P8分別為舵機(jī)的正負(fù)極)。

圖7 電路原理圖

3.4.3 避障的實(shí)現(xiàn)

避障的關(guān)鍵在于紅外測(cè)距傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及數(shù)據(jù)處理的速度。紅外測(cè)距傳感器的輸出信號(hào)為電壓信號(hào)，導(dǎo)致控制芯片收集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)較多噪聲和干擾。為減少該缺點(diǎn)，在程序里用二分法[7]查表計(jì)算距離以及中位置平均滑動(dòng)濾波[8]，但過(guò)多的濾波次數(shù)會(huì)拖慢控制芯片的處理速度。因此濾波次數(shù)需能夠調(diào)整，使得控制芯片的計(jì)算能力與小車速度相適配，這既能提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性又能顧及數(shù)據(jù)的處理速度。慣性避障小車的程序流程圖如圖8所示(圖中數(shù)值單位為cm，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度要根據(jù)賽道的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)比賽場(chǎng)地的地面情況)。

圖8 程序流程圖

4 討論

該小車動(dòng)力源由自身重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化而得，根據(jù)機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)及單片機(jī)的基本知識(shí)，對(duì)該車的關(guān)鍵部件、結(jié)構(gòu)及電路進(jìn)行了分析、設(shè)計(jì)及計(jì)算，并結(jié)合SolidWorks motion仿真及后期實(shí)測(cè)，該慣性避障小車，主體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，滑行距離長(zhǎng)且平穩(wěn)，低能耗。其電路設(shè)計(jì)及制作合理、程序執(zhí)行穩(wěn)定、識(shí)障避障靈敏度高，符合大賽要求。

基金項(xiàng)目：廣東海洋大學(xué)“創(chuàng)新強(qiáng)校工程”2013年省獎(jiǎng)補(bǔ)資金支持建設(shè)項(xiàng)目——基于校企協(xié)同的工程訓(xùn)練育人平臺(tái)建設(shè)(GDOU2013010306)；廣東海洋大學(xué)“創(chuàng)新強(qiáng)校工程”2016年省財(cái)政專項(xiàng)資金支持項(xiàng)目——金工實(shí)習(xí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)GDOU2016041003。