何 隆 潘佳雨 李宇恒 孟令元 李禹辰 张岳鹏

(河北科技大学机械工程学院 河北石家庄 050018)

双“8”字无碳自行小车避障赛是第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛的新项目。按照竞赛要求，1 kg的重锤将从(400±2)mm的高度自由下落，驱动小车自行绕两两相距为350 mm的障碍物做类似双扭线般的轨迹运动。笔者应用matlab做小车轨迹规划，并应用SolidWorks中motion模块做小车虚拟样机仿真对所设计的数据进行可靠性验证[1]。

1 轨迹特征计算

1.1 轨迹拟合

当小车前轮转过c角度时，同时主动轮前进ds，则整车转的角度为：

在世界坐标系中，小车转过的角度为αfalse时，有

将以上方程式输入到matlab中，将微分关系式转换为差分方程求解，并绘制相关特征点显示完整轨迹，得到初步仿真图(图1)。

图1 小车完整轨迹

2 仿真分析

2.1 转向分析

本设计采用的是空间四杆RSSR机构，可实现前轮摆角大小的左右对称。在设计该机构时，为了抵消其特有的急回特性，保证前轮的摆角左右对称，将曲柄的回转中心与摇杆摆动平面设置在等高度平面上[2]。

前轮从左极位运动到零位阶段，由几何关系可知， 曲柄转角β与摇杆转角α的关系为：

将其输入到matlab中，对其参量一一赋值可得图2。可以看出，前轮转角左右极值几乎相等，达到预期设计要求。

图2 小车轨迹

2.2 motion模块小车样机轨迹仿真

小车的总体结构较为复杂，前人曾使用纯数学方法推演过小车的运动轨迹，但并没有对运动轨迹进行模拟验证， 运用solidworks对小车进行整车动力学仿真，可以对前期计算进行验证，并可为后期调试提供经验参考[3]。为提高软件计算速度，简化小车模型，将不参与运动的部件加以隐含，并尽量减少整车不必要的特征。

建立好各部件运动约束关系，赋予小车材料，构造重力场，键入小车实际运行中存在的摩擦阻尼及其承载的力，运行软件，绘制小车结果集即可得到小车实际的运动轨迹，同时亦可查看此过程中小车的各参量变化关系图(图3)。

图3 小车实际运动轨迹及各参量变化

进一步规划好小车各参数值后，将轨迹曲线加以导出，利用caxa可以直接在图上测出小车各个位置的特征值，如可以从图中通过正切关系换算出小车的发车角度及摆放位置，为小车出发定位提供参考(图4)。

图4 小车出发位置及摆放角度

3 结语

通过仿真分析研制的小车在2019年第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛(河北赛区)竞赛中取得全省第二名的好成绩。