基于工程訓(xùn)練的自控行走小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究

劉子浪 李德榮 林沛宣 莊集超 曾嘉煜

(廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 廣東 湛江 524088)

基于工程訓(xùn)練的自控行走小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究

劉子浪1李德榮*林沛宣 莊集超 曾嘉煜

(廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 廣東 湛江 524088)

針對(duì)第五屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽(合肥賽)的命題的命題要求，設(shè)計(jì)出一種運(yùn)用碼盤測距判斷位置并作出相應(yīng)模式切換的自控行走越障小車。小車?yán)眉t外傳感器檢測障礙并通過單片機(jī)控制舵機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向，設(shè)計(jì)突變式繞線機(jī)構(gòu)解決上坡問題，采用單向軸承回收利用下坡能量，通過線性延時(shí)進(jìn)行路徑優(yōu)化。

自控行走 無碳小車 工程訓(xùn)練 碼盤計(jì)數(shù)

0 引言

自2009年由教育部高等教育司舉辦的全國性大學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)踐競賽活動(dòng)以來，全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽是國家“本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”資助賽事之一，也是對(duì)工科大學(xué)生最具吸引力的競賽之一。第五屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽(合肥賽)的命題為“重力勢能驅(qū)動(dòng)的自控行走小車越障競賽”, 該題目以自主尋跡避障轉(zhuǎn)向控制功能為亮點(diǎn)，增加了障礙賽道設(shè)置(如圖1)，同時(shí)保留往屆無碳小車命題重力勢能驅(qū)動(dòng)行進(jìn)的特點(diǎn)。命題要求設(shè)計(jì)一種三輪小車，通過機(jī)械或單片機(jī)電控裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障、翻越障礙等功能。

圖1 賽道示意圖

1 小車的設(shè)計(jì)思路

“重力勢能驅(qū)動(dòng)的自控行走小車越障競賽”這一命題相比往屆的“S”形和“8”形無碳小車是個(gè)重大創(chuàng)新，經(jīng)過研究競賽具體要求，筆者認(rèn)為本屆比賽的設(shè)計(jì)難度主要有以下三點(diǎn)：

1) 比賽以通過障礙數(shù)和小車行進(jìn)距離作為評(píng)分點(diǎn)，這要求設(shè)計(jì)充分利用重錘能量，減少行進(jìn)時(shí)摩擦阻力和振動(dòng)能量損失，使小車跑得盡可能遠(yuǎn)。

2) 設(shè)計(jì)出合適的避障算法，通過碼盤測距判斷出小車所處賽道的不同位置，切換控制模式，優(yōu)化避障路線，選擇最佳避障路線，縮短避障路程。

3) 競賽賽道上設(shè)置有上下坡，考慮到上坡需要小傳動(dòng)比加速，平路需要大傳動(dòng)比穩(wěn)定速度，設(shè)計(jì)出“突變式繞線套”改進(jìn)繞線方式。

2 小車總體設(shè)計(jì)

針對(duì)本次競賽的題目要求，設(shè)計(jì)的小車大量采用鋁合金材料和3D打印制作，對(duì)車輪、底板等質(zhì)量較大的零件進(jìn)行鏤空處理?？紤]到上坡時(shí)可能出現(xiàn)的小車后翻問題，齒輪結(jié)構(gòu)放置在重錘與后輪之間，電控部件放置在出的電控托架上，使車身加緊湊；采用單級(jí)齒輪傳動(dòng)方案減少傳動(dòng)能量損失，通

圖2 小車結(jié)構(gòu)示意圖

過突變式繞線套設(shè)計(jì)解決上坡問題；采用紅外避障傳感器檢測障礙物，降低算法調(diào)試難度；采用“減速舵機(jī)+單向軸承”的下坡速度控制方案，充分利用下坡能量；采用碼盤測距、測速的方法，判斷出小車所處的關(guān)鍵位置點(diǎn)，設(shè)計(jì)出針對(duì)不同位置的控制方案。小車加工完成后經(jīng)過繞圈測試和上下坡測試，最終確定小車的齒輪傳動(dòng)比、車輪直徑、繞線套直徑等參數(shù)。

圖3 小車實(shí)物圖

3 基于碼盤測距的模式切換設(shè)計(jì)

3.1 模式切換與數(shù)據(jù)采集

考慮到小車處于賽道不同位置時(shí)，小車需要進(jìn)行避障轉(zhuǎn)角、減速開啟或關(guān)閉、轉(zhuǎn)彎延時(shí)等反應(yīng)動(dòng)作的特殊處理以保證小車在復(fù)雜情況下能完成避障等預(yù)設(shè)動(dòng)作，筆者采用槽型光耦傳感器和碼盤(如圖3)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，根據(jù)關(guān)系式換算進(jìn)行測距、測速。通過多次試驗(yàn)，采集小車處于A、B、C、D、E、F位置(如圖1)的脈沖計(jì)數(shù)值并取平均，再結(jié)合紅外傳感器檢測信息，綜合判斷確定出小車所處位置。通過優(yōu)化處理后，試驗(yàn)小車運(yùn)行一圈避障效果良好，避障過程速度較穩(wěn)定，上下坡速度可控。

表1 小車動(dòng)作模式表

圖4 優(yōu)化處理后速度-脈沖數(shù)曲線

3.2 基于線性延時(shí)的路徑優(yōu)化

小車在賽道A—B和E-F彎道避障位置行進(jìn)過程中，紅外傳感器檢測到小車通過障礙后，控制小車往下一個(gè)障礙入口方向偏轉(zhuǎn)，然后對(duì)中直走，小車最佳行進(jìn)軌跡應(yīng)偏轉(zhuǎn)到剛好朝向下一障礙物入口，由于小車行進(jìn)過程中速度難以保證完全勻速，固定偏轉(zhuǎn)延時(shí)易使小車偏離入口位置，筆者通過碼盤測速，根據(jù)小車的行進(jìn)速度，線性增加小車避障后轉(zhuǎn)彎延時(shí)，通過試驗(yàn)，小車轉(zhuǎn)彎朝向良好，同時(shí)具有一定速度穩(wěn)定效果。

4 突變式繞線輪設(shè)計(jì)

4.1 繞線輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

突變式繞線套繞線直徑“小-大-小”突變式布置，一端設(shè)置有均勻分布的4個(gè)螺釘位，(如圖6、6)繞線繩通過引線槽、隔擋釘爬上大直徑的加速繞線位，繞線套通過單向軸承與傳動(dòng)軸配合，相比其他競賽者通過舵機(jī)換齒輪傳動(dòng)比等方案(如圖8)，這一設(shè)計(jì)使小車結(jié)構(gòu)上更簡單，控制更方便。

圖6 突變式繞線套裝配示意圖

圖7 突變式繞線套實(shí)物圖

圖8 更換齒輪比實(shí)物圖

經(jīng)過分析，小車上坡時(shí)所需能量來自于坡前速度和上坡時(shí)重錘下落的重力勢能，坡前速度由加速階段重錘下落的重力勢能和初始速度提供，筆者基于能量守恒定律結(jié)合總傳動(dòng)比與行進(jìn)距離之間的約束關(guān)系推導(dǎo)出加速傳動(dòng)比計(jì)算公式：

η(mgh+ mgL/i+1/2Mv2)=Mgh

(1)

式中：重錘重量m，總體重量M，小車初始速度v，小車爬行高度h，重力加速度g，能量轉(zhuǎn)換效率η，加速階段距離L，加速總傳動(dòng)比i。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和多次繞圈測試和上坡試驗(yàn)，測得不同地面材料的η取值在0.4-0.6之間，根據(jù)競賽要求，加速階段距離L約6000 mm，小車爬行高度h為40 mm，考慮到小車初始速度v較小可忽略，可求得不同地面上坡時(shí)所需加速總傳動(dòng)比i取值50-90之間，為應(yīng)對(duì)競賽實(shí)際情況的復(fù)雜性，加速傳動(dòng)比選40較為合適，由此可算出繞線套直徑37.5 mm。

表2 加速總傳動(dòng)比

4.2 下坡減速能量回收方案

小車上坡到達(dá)坡頂時(shí)，積累的大量重力勢能，如這部分能量不進(jìn)行處理，下坡時(shí)將很容易出現(xiàn)速度過快，轉(zhuǎn)向翻車的問題，如通過電控剎車減速，則浪費(fèi)了這一重力勢能，不符合競賽“無碳”理念。筆者設(shè)計(jì)通過減速舵機(jī)控制搖臂對(duì)繞線套上螺釘進(jìn)行限位，使重錘無法下落中斷小車動(dòng)力，同時(shí)小車在慣性作用下依靠重力滑下斜坡。通過上下坡測試與數(shù)據(jù)采集，使用舵機(jī)減速方案的小車下坡速度幅值較小，能量利用率較高。

5 總語

第五屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽(合肥賽)的命題要求較往屆有較大不同，依據(jù)命題要求，創(chuàng)新性地提出了碼盤測距模式切換、突變式繞線輪、舵機(jī)減速能量回收方案、路徑優(yōu)化方案等設(shè)計(jì)思路，對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論分析和計(jì)算，

圖9 經(jīng)下坡減速小車前后速度-脈沖曲線對(duì)比

Fig.9 Comparison of velocity - pulse curve before and after downhill

對(duì)小車的進(jìn)行情況進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)效果良好符合預(yù)期，可為競賽者提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

[1] 徐巖．基于工程訓(xùn)練大賽作品無碳小車進(jìn)行實(shí)物仿真的研究[J]．現(xiàn)代企業(yè)教育，2011.

[2] 王斌，王衍，李潤蓮，等．“無碳小車”的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)[J]．山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，28( 1) : 59-62．

[3] 聞邦椿．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M]．北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

Research on the structure design and optimization of automatic walking trolley based on engineering training

LiuZilang1LiDerong*LinPeixuanZhuangJichaoCengJiayu

(MechanicalandPowerEngineeringCollegeofGuangdongOceanUniversity，ZhanjiangGuangdong, 524088China)

according to the Fifth National College Engineering Training Competition (Hefei cup) of the proposition, design a kind of application code ranging judge the position and make the corresponding mode switching control of walking and climbing obstacle car. The car using infrared sensors to detect obstacles and turn through the MCU control actuator design mutation type winding mechanism solves the problem of uphill, downhill energy recovery and utilization of the one-way bearing, the path is optimized by linear time delay.

automatic control carbon free car engineering training code countin

1006-8244(2017)02-041-04

廣東海洋大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(CXXL2016017)；廣東省2016年度國家級(jí)項(xiàng)目

劉子浪(1994-)，男，本科，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化，E-mail：982838075@qq.com。

李德榮(1968-)，男，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、機(jī)電自動(dòng)化裝備設(shè)計(jì)與制造。E-mail：lidr2008@163.com。

U469.79

B