電控小車方案設(shè)計(jì)比選

馬曉欣 馮小東 康 凱

（河北建筑工程學(xué)院，張家口 075000）

1 競(jìng)賽介紹

1.1 競(jìng)賽命題

競(jìng)賽命題為“重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的自控行走小車越障競(jìng)賽”。筆者自主設(shè)計(jì)一種符合本命題要求的小車，經(jīng)賽場(chǎng)內(nèi)外分步制作完成，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)性運(yùn)行考核。下面將重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的自控行走小車簡(jiǎn)稱電控小車。

1.2 命題要求

小車：三輪結(jié)構(gòu)，其中一輪為轉(zhuǎn)向輪，另外二輪為行進(jìn)輪，（要求2個(gè)行進(jìn)輪用1.5mm厚度的鋼板或可用激光切割加工且不超過8mm厚度的非金屬板制作，要求行進(jìn)輪輪轂與輪外緣之間至少有40mm的環(huán)形范圍，這個(gè)范圍將用于進(jìn)行統(tǒng)一要求的設(shè)計(jì)和激光切割），允許二行進(jìn)輪中的一個(gè)輪為從動(dòng)輪。小車可具有賽道障礙識(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，如圖1所示。

圖1 小車示意圖

小車行進(jìn)所需能量：只能來(lái)自給定的重力勢(shì)能，小車出發(fā)初始勢(shì)能為400mm高度×1kg砝碼質(zhì)量，競(jìng)賽時(shí)使用的同一規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)砝碼（鋼制Φ50mm×65mm）。若使用機(jī)械控制轉(zhuǎn)向或剎車，其能量也需來(lái)自上述給定的重力勢(shì)能。

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。電控裝置所用電源為5號(hào)堿性電池，電池自備，比賽時(shí)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(jìn)能量。

1.3 賽道

賽道寬度1.2m，形成長(zhǎng)約15.4m、寬約2.4m（不計(jì)賽道邊緣道牙厚度）的環(huán)形賽道，其中兩直線段長(zhǎng)度為13.0m，兩端外緣為曲率半徑為1.2m的半圓形，中心線總長(zhǎng)度約30m，如圖2所示。

賽道邊緣設(shè)有高度為80mm的道牙擋板。賽道上間隔不等（隨機(jī)）交錯(cuò)設(shè)置多個(gè)障礙墻，障礙墻高度約80mm，相鄰障礙墻之間最小間距為1m，每個(gè)障礙墻從賽道一側(cè)邊緣延伸至超過中線100～150mm。

在直賽道段設(shè)置有1段坡道，坡道由上坡道、坡頂平道和下坡道組成，上坡道的坡度3°±1°，下坡道的坡度1.5°±0.5°；坡頂高度40±2mm，坡頂長(zhǎng)度為250±2mm。坡道位置將事先公布，出發(fā)線在平賽道上，距離坡道起始位置大于1m，具體位置抽簽決定。

圖2 賽道示意圖

2 方案比較

2.1 傳動(dòng)及變力矩方案

2.1.1 多級(jí)傳動(dòng)

多級(jí)傳動(dòng)是指在提吊重塊的繩索和車輪軸之間還有傳動(dòng)介質(zhì)（形式）的傳動(dòng)，通過改變多級(jí)傳動(dòng)的傳動(dòng)比來(lái)改變驅(qū)動(dòng)力矩。多級(jí)傳動(dòng)的中間傳動(dòng)介質(zhì)增加了能量的消耗，傳動(dòng)效率較直接驅(qū)動(dòng)低。

2.1.2 直接驅(qū)動(dòng)

直接驅(qū)動(dòng)是指重塊下落的重力勢(shì)能直接通過提吊重塊的繩索驅(qū)動(dòng)車輪軸實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)方案，通過錐形繞線輪來(lái)改變驅(qū)動(dòng)力矩。直接驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是能量損耗小，傳動(dòng)效率高。

2.2 車輪驅(qū)動(dòng)方案

2.2.1 前輪驅(qū)動(dòng)方案

車輪布局為前面兩個(gè)輪、后面一個(gè)輪的三角形結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)前車輪為驅(qū)動(dòng)輪，后車輪為轉(zhuǎn)向輪，前車輪可采用任意一個(gè)車輪為主動(dòng)輪，另一個(gè)為從動(dòng)輪；也可以采用差速器結(jié)構(gòu)，兩輪均為主動(dòng)輪。有差速器的結(jié)構(gòu)，左右轉(zhuǎn)向速度一致，沒有差速器的結(jié)構(gòu)，左右轉(zhuǎn)向速度變化大，有差速器的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)彎運(yùn)行更加平穩(wěn)。

2.2.2 后輪驅(qū)動(dòng)方案

車輪的布局為前面一個(gè)轉(zhuǎn)向輪、后面兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的三角形結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)后車輪為驅(qū)動(dòng)輪，前車輪為轉(zhuǎn)向輪，后車輪可采用任意一個(gè)車輪為主動(dòng)輪，另一個(gè)為從動(dòng)輪；也可以采用差速器結(jié)構(gòu)，兩輪均為主動(dòng)輪。

2.3 避障尋跡方案

2.3.1 沿一側(cè)尋跡方案

該方案通過傳感器檢測(cè)前方和一側(cè)的障礙物，將信號(hào)反饋給單片機(jī)，由單片機(jī)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向即可實(shí)現(xiàn)避障，對(duì)于傳感器的數(shù)量需求少，編程也較中間尋跡方案簡(jiǎn)單。小車每避過一個(gè)障礙所行走距離長(zhǎng)。

2.3.2 中間尋跡方案

該方案需要傳感器檢測(cè)前方和兩側(cè)的障礙物，同樣將信號(hào)反饋給單片機(jī)，由單片機(jī)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向即可實(shí)現(xiàn)避障，對(duì)于傳感器的數(shù)量需求多，編程也相對(duì)復(fù)雜一些。小車每避過一個(gè)障礙所行走距離與沿一側(cè)尋跡方案相比要短。

2.4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)方案

2.4.1 機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)控制方案

該方案?jìng)鲃?dòng)結(jié)構(gòu)與舵機(jī)控制方案相比，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，增加了電控小車的整體重量。不使用重塊的重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)，需要用到電機(jī)或者舵機(jī)等電力驅(qū)動(dòng)裝置。使用重塊的重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)，消耗了小車向前行走的一部分能量，降低了小車的行走距離。

2.4.2 舵機(jī)控制方案

采用舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)不消耗重塊的重力勢(shì)能，轉(zhuǎn)向節(jié)省的重塊勢(shì)能能量將用于小車行走。

2.5 剎車結(jié)構(gòu)方案

2.5.1 機(jī)械控制剎車方案

該方案剎車消耗小車的重塊的重力勢(shì)能，小車需要的剎車一般處于下坡路段，小車的行走可靠車身的自重來(lái)驅(qū)動(dòng)，此剎車結(jié)構(gòu)增加小車結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。

2.5.2 電磁剎車方案

與機(jī)械剎車方案相比，該方案結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。電磁剎車的力需要克服小車自重和重塊重力勢(shì)能的驅(qū)動(dòng)力之和，需要考慮5號(hào)堿性電池的能量大小。

3 方案選擇

通過以上方案的比較，電控小車的傳動(dòng)方案宜選擇直接驅(qū)動(dòng)方案，前輪驅(qū)動(dòng)和后輪驅(qū)動(dòng)均可，應(yīng)該加裝簡(jiǎn)易差速器，采用按照中間路線行走的方案，可以提高小車的避障礙數(shù)量。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)采用直接用舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向的方案，在電池能量滿足轉(zhuǎn)向和剎車力的情況下，優(yōu)先選擇電磁剎車方案。該方案能量損失較小，行走距離較長(zhǎng)，避障平穩(wěn)且數(shù)量較多。

4 結(jié)語(yǔ)

進(jìn)行電控小車方案設(shè)計(jì)比選，為電控小車的設(shè)計(jì)和方案選擇提供了參考和借鑒。