基于小車自身的重心改變保證過彎穩(wěn)定性的研究

邱澤香 饒佳琪

摘要：保證小車快速過彎穩(wěn)定的重心改變裝置是基于單片機(jī)的控制，針對小車過彎的速度不同，過彎的大小等因素進(jìn)行不同程度的調(diào)整，使小車的重心向某一側(cè)偏移，達(dá)到過彎不減速的目的。例如可在小車內(nèi)部兩邊分別加上兩個(gè)齒輪，利用發(fā)動機(jī)帶動齒輪轉(zhuǎn)動從而來調(diào)節(jié)小車兩邊的不同高度，改變小車重心，為小車提供過彎的向心力，以此來達(dá)到為小車提供過彎的足夠向心力。整個(gè)系統(tǒng)有和上述裝置功能相同的多套裝置，各個(gè)裝置之間互相協(xié)調(diào)配合，從而實(shí)現(xiàn)小車即使在急彎或者大彎的時(shí)候也可以不用降低速度來過彎。其目的是針對于現(xiàn)實(shí)生活中不僅是賽車比賽不用在過彎時(shí)降低速度，還可以利用這種裝置，就可以為車子轉(zhuǎn)彎提供更大的向心力，以此來保證車子就算不能夠在過彎時(shí)及時(shí)減速也能夠減少事故的發(fā)生。

0 引言

現(xiàn)有的轉(zhuǎn)彎裝置大多是通過車輪的減速和轉(zhuǎn)向使車子順利過彎，但是這種過彎方式往往會使車子減小到預(yù)定的速度，而且在快速時(shí)可能會加大對輪胎的損耗。本研究項(xiàng)目所提供的過彎裝置，其優(yōu)勢在于：輕巧性不會為車子帶來太大的負(fù)載；而且這種裝置是利用車子本省的重力來為車子過彎提供向心力，所以不管是道路平整的柏油馬路還是坑洼不平的農(nóng)村土路，這種裝置都可以很好的運(yùn)用到每一個(gè)行駛在不同環(huán)境道路的不同車子身上。

1 方法原理

1.1初步方案構(gòu)想

由于必須要保證小車最大速度不受影響，故不可在小車車身上施加重物，只能通過改變小車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或外觀物理結(jié)構(gòu)改變其重心，針對上述問題，提出了以下三種解決方案。

1、通過降低一側(cè)車身高度

底層板四個(gè)角均固定有小型直流電機(jī)，電機(jī)與長螺桿相連，螺桿旋進(jìn)固定在上層板的長螺帽（可完全旋轉(zhuǎn)進(jìn)入）中，上層板上搭載有電源等其他模塊。在遇到轉(zhuǎn)彎的情況的時(shí)候，單片機(jī)會控制底層板上的電機(jī)向某一方向旋轉(zhuǎn)，由于電機(jī)和螺帽均是被固定的，因此長螺桿會越來越多的部分進(jìn)入到長螺帽中去，此時(shí)靠近彎道一側(cè)的上層板會較低，即起到了降低重心保持穩(wěn)定的作用。完成過彎后，進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)直至復(fù)原。這里要闡明的是，長螺帽和長層板的固定是可活動的，可以承受一定角度，另一側(cè)板子低于本側(cè)。這種方法的不足之處在于，由于上層的重量是有限的，而且彎道側(cè)和背彎道側(cè)的板子之間的高度差不可過大，不適于過大的速度過彎。

2、通過改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)

將電源封裝在一長方體容器內(nèi)，容器大小選擇以恰好能放下電源為宜。在容器的一對面上固定好直流電機(jī)，即將電池和一對電機(jī)固定在一起。再將一長齒條固定在上層板上，齒條長度與上層板長度一致。在遇到轉(zhuǎn)彎情況的時(shí)候，單片機(jī)會控制一對電機(jī)向同一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，即彎道內(nèi)側(cè)。由于齒條被固定不動，電機(jī)的轉(zhuǎn)動就會直接地帶動整個(gè)電池模塊，向彎道側(cè)轉(zhuǎn)動，使小車的重心內(nèi)移，從而增加過彎穩(wěn)定性。完成過彎后，進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)直至復(fù)原。這種方法的不足之處在于，在小車遇到連續(xù)彎道的時(shí)候，電源長方體容器需要在車內(nèi)來回移動，有可能影響穩(wěn)定性。

3、通過直接降低車輪

將一根長齒條的末端與對應(yīng)的輪胎電機(jī)的軸（靠近輪胎側(cè)）相連，輪胎電機(jī)的另一端則細(xì)金屬線和塑料扣的方式固定在下層板，之所以另一側(cè)（遠(yuǎn)離輪胎側(cè)）采用懸掛電機(jī)的方式，是因?yàn)橐３州喬?cè)的軸進(jìn)行一定幅度的上下波動。固定在上層板的電機(jī)可選用力矩較大的步進(jìn)電機(jī)，將電機(jī)固定于上層板。在遇到轉(zhuǎn)彎的情況時(shí)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動齒條旋轉(zhuǎn)，將靠近彎道一側(cè)的長齒條拉上一段距離，此時(shí)，靠近彎道一側(cè)的底盤距離地面較近，重心很大程度的向內(nèi)側(cè)偏移，大大降低了小車向外側(cè)漂出的可能性。若采用此種方法，對步進(jìn)電機(jī)需謹(jǐn)慎選擇。

1.2項(xiàng)目實(shí)際方案

通過雙層模式結(jié)構(gòu)改變重心位置

此種方案為綜合考慮最優(yōu)，可實(shí)施性最高的方案，在此方案中。將小車所需的各個(gè)重要零部件都加裝在小車的底層（第一層），另外在小車的上方再加裝一層活動層用于改變小車的整體重心。將兩臺步進(jìn)電機(jī)固定在小車的底層，在固定電機(jī)的轉(zhuǎn)子上加裝能夠通過步進(jìn)電機(jī)帶動的齒輪，同時(shí)在齒輪處安放可活動的齒輪，小車的第二層通過銅柱焊接在活動齒輪山。通過單片機(jī)控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的不同轉(zhuǎn)向就可以通過齒條帶動第二層進(jìn)行同一方向的一個(gè)平移，這樣就起到了改變小車整體重心的效果。此方案需要選取精準(zhǔn)度高且力矩較大的步進(jìn)電機(jī)，同時(shí)在控制的過程中必須保證時(shí)間和運(yùn)動的準(zhǔn)確性，才能通過此方案來改變小車的重心來增加過彎的穩(wěn)定性。

2 小車自身重心改變裝置整體方案

2.1研究用四輪二驅(qū)地盤小車功能說明

1）驅(qū)動功能：小車底盤后輪裝載有2個(gè)強(qiáng)磁抗干擾碳刷TT馬達(dá)，可以為整個(gè)小車移動平臺提供一個(gè)恒定的驅(qū)動力。

2）轉(zhuǎn)向功能：本文小車搭載平臺通過一個(gè)MG995舵機(jī)將兩個(gè)前輪安裝在小車主板的前身，STC89C52RC單片機(jī)作為主控芯片通過對舵機(jī)的控制進(jìn)而控制前輪的轉(zhuǎn)向，達(dá)到小車轉(zhuǎn)向的功能。

3）紅外尋跡功能：單片機(jī)通過路徑識別模塊對路徑信息進(jìn)行采集。以實(shí)現(xiàn)小車尋跡的功能。系統(tǒng)選用RPR220型紅外反射式光電傳感器實(shí)現(xiàn)路徑識別功能。RPR220是一種一體化反射型光電探測器。其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，接收器是一個(gè)高靈敏度硅平面光電三極管。

4）超聲避障功能：系統(tǒng)采用一個(gè)RBURF02定向式超聲測距傳感器將其安裝在小車車頭的前，可實(shí)時(shí)測得小車前方與障礙物之間的距離，從而實(shí)現(xiàn)避障。RB URF02具有較好的性能，其探測有效距離：lcm～500cm，探測分辨率0.5cm，探測誤差：±0.5%，靈敏度：大于1.8m外可以探測到直徑2cm物體，方向性偵測范圍：定向式（水平/垂直）65度圓錐。

2.2整體方案設(shè)計(jì)

1）本文控制系統(tǒng)的核心處理器選用國產(chǎn)STC89C52RC微處理器，此種微處理器具有操作簡單，價(jià)格便宜等優(yōu)勢，此種微處理器能夠滿足本文所研究的內(nèi)容。其最小系統(tǒng)如下圖1所示。

2）本文小車主要設(shè)計(jì)系統(tǒng)如下圖1所示：

3）由圖1，整個(gè)車身控制系統(tǒng)以STC89C52RC作為控制微處理器，在平整且不需要轉(zhuǎn)彎的路面上行駛時(shí)，小車通過紅外尋跡模塊將路面信息傳輸至微處理器，微處理器發(fā)送相關(guān)控制信號指令至驅(qū)動器，驅(qū)動器帶動左右驅(qū)動電機(jī)以此帶動左右驅(qū)動輪的旋轉(zhuǎn)，使小車向前行駛。當(dāng)遇到轉(zhuǎn)彎路面或其他需要避開的障礙物的路面時(shí)，通過超聲波傳感器將信號發(fā)送中微處理器，微處理器通過控制帶動前后的齒條改變小車第二層的重心，一次來達(dá)到改變整個(gè)小車的重心位置，保證小車的過彎穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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