黑龙江科技大学工程训练与基础实验中心 哈尔滨 150022

1 设计背景

无碳小车是2010年以来全国大学生工程训练综合能力竞赛题，竞赛规则要求以4 J重力势能驱动无碳小车在给定的赛道上越障碍行驶，障碍桩间的距离可变，越障碍数越多和行驶距离越长者获胜。无碳小车的唯一动力源是4 J重力势能，要求无碳小车行驶方向控制方便、灵活，结构简单、可靠，便于制造、装配、调试，并且成本要低。

2 工作原理

根据大赛组委会给出的外部边界条件，比赛的障碍桩等间距或不等间距布置在一条直线上，无碳小车的行驶路径一般是近似余弦函数［1］曲线 y=Acos（ωt+φ）。图1所示为S形轨迹无碳小车行驶路线。参赛的无碳小车行驶性能要适应赛道表面摩擦因数特性和障碍桩的布置间距，无碳小车的结构应力求简单，以适应拆装要求。

▲图1 S形轨迹无碳小车行驶路线

无碳小车以4 J重力势能克服摩擦力做功，摩擦力包括车轮与赛道间的摩擦阻力和无碳小车机构的摩擦力，摩擦力对比赛结果有重要影响。车轮与赛道间的摩擦力与车轮材料、赛道表面特性及车体的质量有关。车体质量大，会增大车轮与赛道间的摩擦力，影响无碳小车前行距离。车体质量轻，则会降低无碳小车行驶的稳定性。无碳小车机构的摩擦力还与无碳小车的结构和制造精度有关。无碳小车的行驶路径根据障碍桩的设置自动控制［2］。

3 设计方案

实现S形轨迹无碳小车有多种方案，对各种方案进行分析、比较、仿真和评价，从中选择最优或次优的方案。……