“8”字型無碳小車起始定位工具的設(shè)計

李建波+張洪銘+李佺

摘 要：全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽是教育部高等教育司發(fā)文舉辦的全國性大學(xué)生科技創(chuàng)新實踐競賽活動，其競賽主題是無碳小車的設(shè)計與制作，共分為三類，分別是“S”型賽道避障行駛競賽，“8”字型賽道避障行駛競賽，重力勢能驅(qū)動的自控行走小車越障競賽。本文介紹的工具是用于“8”字型賽道避障行駛競賽中，確定無碳小車的出發(fā)位置。

關(guān)鍵詞：工程訓(xùn)練綜合能力競賽；“8”字型；無碳小車；起始定位

全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽是教育部高等教育司發(fā)文舉辦的全國性大學(xué)生科技創(chuàng)新實踐競賽活動，是基于國內(nèi)各高校綜合性工程訓(xùn)練教學(xué)平臺，為深化實驗教學(xué)改革，提升大學(xué)生工程創(chuàng)新意識、實踐能力和團(tuán)隊合作精神，促進(jìn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)而開展的一項公益性科技創(chuàng)新實踐活動。[1]其中的“8”字型賽道避障行駛競賽是要求無碳小車的行進(jìn)軌跡繞中心兩桿周期性往復(fù)運動，使其軌跡成“8”字。為使小車能周期性行走“8”字型軌跡，就需要小車從出發(fā)位置行進(jìn)之后每走一圈都能使其軌跡盡可能重疊，以避免撞到所設(shè)障礙。小車行進(jìn)的軌跡由出發(fā)時小車所放置的位置以及小車三個車輪所放置的狀態(tài)決定，因此小車起始位置的確定對于小車行走“8”字型軌跡圈數(shù)的多少十分重要。

1 什么是無碳小車

無碳小車是以重力勢能驅(qū)動的具有方向控制功能的自行小車。驅(qū)動其行走及轉(zhuǎn)向的能量是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由給定重力勢能轉(zhuǎn)換而得到的。該給定重力勢能由競賽時統(tǒng)一使用質(zhì)量為1Kg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼（￠50×65 mm，碳鋼制作）來獲得，要求砝碼的可下降高度為400±2mm。標(biāo)準(zhǔn)砝碼始終由小車承載，不允許從小車上掉落。

2 競賽規(guī)則介紹

無碳小車是以重力勢能為唯一能量的、具有連續(xù)避障功能的三輪小車，其中“8”字型賽道避障行駛競賽的競賽場地在半張標(biāo)準(zhǔn)乒乓球臺（長1525mm、寬1370mm）上，有3個障礙成“L”形放置， “L”形的長邊在球臺的中線上，（放置球臺時“L”形的長邊平行主看臺方向，短邊垂直且遠(yuǎn)離主看臺），經(jīng)現(xiàn)場公開抽簽，在400～500mm范圍內(nèi)產(chǎn)生“L”形的長邊值，在300±50mm范圍內(nèi)產(chǎn)生“L”形的短邊值。小車需繞中線上的兩個障礙物按“8”字型軌跡運行，障礙物為直徑20mm、長200mm的3個圓棒，圓棒中心分別放置在“L”形的3個端點上，以小車完成8字繞行圈數(shù)的多少來評定成績。參賽時，要求小車以“8”字形軌跡交替繞過中線上2個障礙，保證每個障礙在“8”字形的一個封閉環(huán)內(nèi)，同時不碰倒第3個障礙。一個成功的“8”字繞障軌跡為：兩個封閉圖形軌跡和軌跡的兩次變向交替出現(xiàn)，變向指的是：軌跡的曲率中心從軌跡的一側(cè)變化到另一側(cè)。

3 起始定位的作用

無碳小車能夠周期性的按照“8”字型軌跡避障行駛，一方面取決于小車的加工精度、裝配精度，在小車的精度得到保障的前提下，小車才能在后續(xù)的調(diào)試過程中按照預(yù)先設(shè)計的軌跡行走，此外，當(dāng)小車本身的精度有所欠缺時，它的行進(jìn)軌跡每次都會有偏差，隨著小車的行進(jìn)逐漸撞到所設(shè)障礙。因此，后續(xù)的調(diào)試至關(guān)重要。有些誤差在調(diào)試時可以得到相應(yīng)的彌補，使其對小車行駛過程的影響降到最小。起始位置的確定是運動調(diào)試很重要的一個方面，一旦小車起始位置沒有選擇好或者在放置小車時稍有偏差，就會使小車很快撞到障礙物。當(dāng)小車軌跡存在一定偏差時，可以調(diào)整小車的初始位置使小車盡可能的行駛更多的“8”字形軌跡，例如小車軌跡每次都向左偏斜，就可以調(diào)整小車的初始位置，使小車行駛的第一圈盡可能的往右偏，這樣小車誤差累積的時間就會延長，就能行走更多的“8”字形軌跡而不會撞到障礙物。

現(xiàn)在的起始位置確定更多的是憑借人在反復(fù)調(diào)試時所積累的經(jīng)驗，靠人的感覺進(jìn)行確定，由于每次拆卸重新組裝后，小車的狀態(tài)都會有所差別，因此單憑經(jīng)驗既不科學(xué)也不可靠，并且還會出現(xiàn)放置小車時由于人的抖動改變了小車的狀態(tài)，使小車行駛的軌跡無法確定，很容易造成小車一出發(fā)就撞桿的后果。

4 定位工具的設(shè)計思想

小車的起始定位首先是基準(zhǔn)的建立，因為小車所要繞行的兩個桿是固定不動的，因此以這兩根桿的位置為參考點，通過所設(shè)計的定位尺確定小車與它所要繞行的第一根桿的相對位置，這樣就確定了小車的位置基準(zhǔn)。此外，小車的出發(fā)狀態(tài)由前輪即轉(zhuǎn)向輪，后輪即行進(jìn)輪共同決定。小車的前輪與后輪位置依靠已經(jīng)建立好的基準(zhǔn)坐標(biāo)進(jìn)行定位。首先將小車的起始位置放置在兩個障礙物中間，這樣小車出發(fā)的理論初始狀態(tài)是前輪和后輪行進(jìn)方向平行，車身與兩根桿所在的直線形成一個夾角。

如圖1所示，定位工具由五部分組成，1是縱尺，2是主尺，3是連桿，4是前尺，5是斜尺。縱尺可以在主尺的槽內(nèi)進(jìn)行移動來改變位置，主尺和縱尺上面印有刻度便于準(zhǔn)確定位，主尺和縱尺用來確定小車與所繞桿的相對位置。小車大致位置確定后接下來確定小車出發(fā)的姿態(tài)即行進(jìn)輪和轉(zhuǎn)向輪的方向。斜尺和前尺分別用來記錄行進(jìn)輪和轉(zhuǎn)向輪的方向。在前期調(diào)試時大致摸索出小車偏斜程度，然后用定位工具進(jìn)行調(diào)試，用斜尺貼近小車的后輪，并將斜尺與前尺調(diào)成平行并固定好，通過主尺上的刻度確定斜尺的的偏斜角度，每調(diào)一次車轉(zhuǎn)動斜尺一點角度，觀察小車的軌跡的調(diào)試，最終獲得理想的軌跡線。調(diào)整好斜尺的角度就意味著后輪的偏斜位置確定。下一步是確定前輪的行進(jìn)方向。前輪是轉(zhuǎn)向輪控制著小車出發(fā)后的狀態(tài)，前輪的角度變化牽一發(fā)而動全身。由于小車制作和裝配時會有一定的誤差，所以前輪和后輪的方向在所放位置不一定平行，所以需要旋轉(zhuǎn)前尺微調(diào)其偏轉(zhuǎn)角度，通過小車前輪角度的調(diào)整彌補相關(guān)誤差，使小車的行走軌跡偏差更小。前輪和后輪的方向確定后，小車的出發(fā)狀態(tài)就全部確定了。這樣在小車每次出發(fā)時就可以利用定位尺記錄好的狀態(tài)出發(fā)，行走的軌跡就會確定下來。即使小車經(jīng)過拆卸重新組裝也可以利用定位尺快速確定出發(fā)狀態(tài)，大大提高了調(diào)試的效率。

5 小結(jié)

全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽是以無碳小車為主題，要求所設(shè)計的小車是“以重力勢能驅(qū)動的具有方向控制功能的自行小車”。學(xué)生從無碳小車的要求來定位，通過能耗的分析、模型的設(shè)計、實體的加工、運動的調(diào)試，獲得了完成一項工程的感悟。[2]而定位工具的設(shè)計與制作也是無碳小車設(shè)計與制作的一部分，它在無碳小車運動調(diào)試過程上的應(yīng)用減少了運動調(diào)試的時間，降低了小車出發(fā)狀態(tài)的不確定性，提高了小車的調(diào)試效率。

參考文獻(xiàn)

[1]武小梅，王星華，劉藝，等.基于實訓(xùn)教學(xué)的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力培養(yǎng) [J].中國電力教育，2010，（30）

[2]裴鑫智. 開展大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽的意義——以無碳小車的改進(jìn)和優(yōu)化為例[J]. 山西科技，2015，05：103-104+109.