张 普，李 森，刘 洋

（西南科技大学，四川绵阳621010）

重力势能驱动的自控无碳小车设计

张 普，李 森，刘 洋

（西南科技大学，四川绵阳621010）

针对第五届全国大学生工程训练综合能力竞赛题目，设计一辆以重力势能驱动的自控行走的无碳小车，小车具有赛道障碍识别、轨迹判断及自动转向功能和制动功能。本文设计并加工出一辆满足比赛要求的小车。实践表明，该小车结构合理、操作简单、运行轨迹符合大赛要求，小车运行平稳、行程远、避障多、设计方案优良并取得较好的成绩，为自控无碳小车及相关机构应用研究提供参考价值。

无碳小车；工程训练大赛；自控

全国大学生工程训练综合能力竞赛是由教育部高教司主办的重要的全国性大学生赛事之一，自控行走的无碳小车越障是其中的竞赛项目之一。本文针对比赛要求自主设计并制作了一种将重力势能转换为前进的动能并具有自主避障转向控制功能的无碳小车。赛道如图1所示。

图1 无碳小车赛道轨迹

小车为三轮结构，其中一轮为转向轮，另外二轮为行进轮。允许二行进轮中的一个轮为从动轮。小车驱动、行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换而得到的。该给定重力势能由竞赛时使用质量为1 kg±5 g的重锤获得。要求砝码的可下降高度为（400±2）mm.重锤由小车承载，不允许从小车上掉落。电控装置：主控电路必须采用带单片机的电路，电路的设计及制作、检测元器件、电机（允许用舵机）及驱动电路自行选定。电控装置所用电源为5号碱性电池，电池自备，比赛时须安装到车上并随车行走。小车上安装的电控装置必须确保不能增加小车的行进能量。图2为小车示意图。

图2 小车设计示意图

1 结构设计

（1）加减速结构

无碳小车在行驶过程中要求保证运行平稳，由于无碳小车在整个赛道运行中会出现平路和上下坡道，考虑到无碳小车结构尽量简单、可行，采用阶梯形绕线轴实现加速，在后轮轴上增加橡胶圈，通过舵机控制制动杆摩擦橡胶圈实现减速制动。图3所示为摩擦胶圈和绕线变速器。

图3 摩擦胶圈和绕线变速器

（2）转向驱动控制结构

具有自控功能的无碳小车是一个机电结合的作品，此竞赛的一大难点在于小车结构需要稳定、适应不同赛道的能力强，转向机构对整个比赛起着重要作用。转向机构在满足转向功能要求的前提下，尽量结构简单，能量消耗小，便于安装调试，因此选择的是通过直接控制转向轴转向。转向轴结构如图4所示。

图4 转向轮设计

（3）材料选择

小车的加工，首先考虑到小车运行路段曲折且有上下坡，为了保证小车运行稳定，因此小车不能太重也不能太轻。综合考虑选择铝合金作为车身加工材料[1]；齿轮需满足摩擦系数低、耐磨损、自润滑性好等综合因素最终选择尼龙齿轮[2]，安装时采用不完全啮合；转向舵机安装架和制动舵机安装架以及其他小零部件由于结构复杂不具有标准化，因此选择利用3D打印[3]进行加工。

（4）驱动设计

小车行进能量来源于重物铅垂下落的重力势能，要是重物下落的行程转化为小车在水平方向的行程，需要由细绳通过定滑轮带动绕线轴的旋转，绕线轴上的齿轮与后轴齿轮啮合，采用一级齿轮传动[4-5]（传动比为5.5∶1）、双轮差速驱动[6]，实现绕线轴到主动轴的动能传递，并起到行程放大作用从而实现小车的整体前进。此处齿轮传动的作用就可以将重物下降行程放大到小车整体水平行程上。通过改变绕线轮直径及制动机构实现增速及减速控制，小车启动时绕线轮直径最大为32 mm，平坦路段平稳避障时直径最小为6 mm，下坡时直径为6mm.

2 控制系统设计实现

（1）硬件电路设计

重力势能的正常下落和车体的有效避障相互配合关系到车体能否正常运行，因此有效的避障系统设计就至关重要。本系统采用满足功能操作简单的Arduino单片机[7]作为主控，选择漫反射式光电式传感器CHE18-30NA-BPB710，与视觉传感器相比光电式传感器可以得到距离信息。这是因为视觉传感器只能检测到物体的存在，而不能检测到障碍物和小车之间的距离，相反，光电式传感器在检测到有物体的同时也可以得到与物体的距离信息[8]。不过在仅用两个传感器的情况下，车体视角较小，检测效果不理想，所以增加到4个对称光电传感器，其中两个传感器近乎平行于车体向前，另外两个传感器位于小车的左前方和右前方的35°角位置，扩大检测角度。光电式传感器安装如图5所示。

图5 光电式传感器安装

车体制动使用反应速度是0.2 s/60°标准的38G舵机SG5010双轴承舵机。针对赛道坡道，采用MPU6050陀螺仪对车体姿态角进行测量[9]，以此判断小车是否进入下坡阶段并减速刹车。

（2）控制策略

接通电源后，小车首先进行初始化各个外设，并进行自检各个模块。如果自检失败，初始化不通过，则报警提示。正常工作时，光电式传感器一直扫描障碍物，不断从陀螺仪读取小车的姿态角。当光电式传感器检测到障碍物时，会发出低电平信号给单片机，单片机会根据传感器的信号，进行解码分析，判断避障条件，控制转向舵机工作；当采集的姿态角小于-5°时，控制刹车舵机工作，实现小车制动。控制系统的设计流程如图6所示。

图6 避障流程图

小车的避障模式受赛道的设置所限制，这里选择1 m障碍物间距进行分析，图7为小车避障的示意图。

图7 小车避障示意图

根据小车运行的状态，定义小车前方的四个光电式传感器从左到右为：A、B、C、D.根据实际情况，定义如果没检测到障碍物，则为原变量，如果检测到障碍物，则为反变量。经过反复调试，总结出适于车体和赛道的公式。

执行上一次转角：S=AB軍C軍D+A軍B軍C軍D軍（1）

左转小角度：S=ABCD軍+ABC軍D（2）

左转中角度：S=ABC軍D軍（3）

左转大角度：S=AB軍C軍D軍（4）

右转小角度：S=A軍BCD+AB軍CD（5）

右转中角度：S=A軍B軍CD（6）

右转大角度：S=A軍B軍CD軍（7）

其他情况下，默认直行。式中，小角度为12° ~14°，中角度为27°，大角度为36°，S代表由传感器检测到数据后单片机对应的输出。实践证明，该方案能适应不同间距的避障。

3 结束语

本次设计的无碳小车结构稳定，能适应不同障碍物间距，采用摩擦制动结构与绕线加速器，使小车行驶的距离更远。通过设计硬件电路与控制策略，从而更加容易的避开障碍。本文设计的自控无碳小车结构简单、传动件少、质量小，大大地降低了能量的损耗，小车行驶平稳且更远。实践证明，设计出的小车具有较高的稳定性与可靠性，能满足比赛要求[10]。

[1]豆龙江，詹长庚，庞晨露，等．无碳小车的机械结构设计[J].机械工程与自动；2014（2）：84-86.

[2]袁洪跃.自平衡两轮电动车控制系统设计[D].重庆：重庆大学，2012.

[3]陈晓东，石雁南，张莉莉.无碳小车的设计、制作与创新实践[J].实验室研究与探索，2013（12）：92-95.

[4]李小丽，马剑雄，李萍，等.3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表，2014（01）：1-5.

[5]白雪，唐鹏达.机械传动无碳小车的设计构想[J].工业设计，2011（08）：145.

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[8]卞云松.基于Arduino单片机的避障小车机器人[J].自动化技术与应用，2014（01）：16-19.

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[10]林宇，方方，林泽萍，等.基于MPU6050三轴倾角测

控设计[J].数字技术与应用，2016（01）：181.

Design of Automatic Carbon Free Car Driven by GravitationalPotentialEnergy

ZHANG Pu，LISen，LIU Yang
（Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan 621010，China）

According to the fifth national engineering college students comprehensive ability training contest topic to design a car without carbon driven by gravitational potential energy automatic walking track，the car has the obstacle recognition，trajectory judgment and automatic steering function and braking function.In this paper，a car is designed and manufactured to meet the requirements of the competition.Practice shows that the car has reasonable structure，simple operation，running track with competition for the car，stable operation，long travel，obstacle avoidance，excellent design and achieved good results，for the automatic car without carbon and related agencies to provide reference to the application of research.

carbon free car；engineering training competition；automatic control

TH122

A

1672-545X（2017）04-0039-03

2017-01-21

张普（1994-），四川资阳人，男，本科，研究方向为模具、机电、计算机。