淺談“S形”無碳小車的軌跡調(diào)試

劉伊銘　趙孟軒

摘 要：無碳小車是近幾年連續(xù)幾屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽的比賽主題。關(guān)于無碳小車的設(shè)計方案，前人已研究出大量可靠的理論，且仍在不斷的優(yōu)化和完善。但對于小車行駛軌跡的具體調(diào)試過程，卻缺少相應(yīng)的文獻(xiàn)資料和指導(dǎo)方法。在本文中，筆者結(jié)合自身參加競賽的相關(guān)經(jīng)驗，針對“S形”無碳小車的軌跡調(diào)試，總結(jié)出了一套實踐效果較好的步驟和方法，以供參賽人員參考。

關(guān)鍵詞：“S形”軌跡;無碳小車;軌跡調(diào)試

“S形軌跡”無碳小車的運動傳遞過程為：重錘下落——細(xì)線通過定滑輪帶動塔輪（軸）轉(zhuǎn)動——塔輪（軸）帶動齒輪轉(zhuǎn)動——通過一系列嚙合使主動輪轉(zhuǎn)動。大齒輪轉(zhuǎn)動帶動曲柄轉(zhuǎn)動——曲柄推動連桿運動——連桿推動搖桿運動——搖桿與前插相連，前插與前輪相連，從而實現(xiàn) s 形軌跡運動。^[1]

小車的軌跡近似于一條余弦曲線（將第一個樁視為坐標(biāo)原點）。雖然在設(shè)計過程中，我們已根據(jù)各個運動傳遞的關(guān)系和具體要求精確計算了其數(shù)值，但由于加工精度、裝配精度、機構(gòu)誤差等因素的影響（特別是曲柄連桿機構(gòu)），小車的軌跡往往不符合預(yù)期，這就要求我們對其進(jìn)行精準(zhǔn)細(xì)致的調(diào)試。

1塔輪結(jié)構(gòu)與繞線原則

我們知道，塔輪結(jié)構(gòu)是為了使小車在啟動階段獲得較大的驅(qū)動力矩，從而順利起步。但我們不能為了增大驅(qū)動力矩而一味的增大棉線在塔輪上的繞線圈數(shù)，因為驅(qū)動力矩過大，將使小車的啟動速度變大，速度過大將會影響小車的運動平穩(wěn)性，特別是在軌跡曲線的極值點處，過大的車速將帶來翻車的危險。另外，棉線用于繞線的長度是一定的（被砝碼高度所限制），當(dāng)繞線半徑越大時，繞線軸轉(zhuǎn)動的圈數(shù)就越少。所以，若棉線繞在“塔輪”上的圈數(shù)多了，則會使其在繞在“繞線軸”上的圈數(shù)變少，這就會導(dǎo)致棉線長度利用率變低，從而繞線軸轉(zhuǎn)動的總?cè)?shù)變少，由于傳動比一定，故小車運行的總距離將變短。所以，我們的原則是以小車可以順利起步為目的，盡量減少棉線在塔輪上的繞線圈數(shù)，而不至于影響小車后面階段的平穩(wěn)性和運行總距離。

確定了棉線在塔輪上的最小繞線圈數(shù)后，我們還需要確定繞線的起始位置，即什么時間開始“上塔輪”。由于比賽要求“砝碼的可下降高度為400±2mm”，這就相當(dāng)于限制了總的繞線長度，我們要做的就是：在每次繞線過程中，當(dāng)砝碼達(dá)到指定高度，即繞線結(jié)束時，保證棉線都繞在塔輪上的一個固定位置處（或者可以理解為每次的繞線過程是完全一樣的），這個位置可以是我們上文中所提到的能使小車順利起步的一個位置，也可以是其他位置，這需要根據(jù)接下來的具體調(diào)試情況來確定。

2發(fā)車位置與軌跡調(diào)試

發(fā)車位置是影響小車運行效果的重要因素，也是整個調(diào)試過程中的主要環(huán)節(jié)，發(fā)車位置的確定與軌跡調(diào)試是相輔相成、同時進(jìn)行的。

不論障礙物之間的間距如何調(diào)整，我們只要保證小車的軌跡始終從“按初始擺放位置擺放的兩障礙物的中點”上通過即可。已知軌跡近似于一條余弦曲線，故小車的理論發(fā)車位置應(yīng)該在我們設(shè)計好的余弦曲線上，且前輪的行進(jìn)方向與該曲線相切。規(guī)則中了解到“出發(fā)線距離第一個障礙物1000mm，發(fā)車位置自行決定，不越線即可”。為了調(diào)試的方便和保證小車每次的運行效果，我們建議參賽者選擇“賽道中軸線上距離出發(fā)線500mm處”作為發(fā)車位置。

小車的運行軌跡受多種因素的共同影響，故在調(diào)試過程中，必須遵循“單一變量原則”，即在確定某些影響因素的前提下，單一改變其中的某一個因素。下面以建議的發(fā)車位置為例，具體說明軌跡的調(diào)試過程。

2.1發(fā)車前輪角度的確定

首先，將小車放在發(fā)車位置附近，注意使前輪的行進(jìn)方向與設(shè)計的余弦曲線相切，這里可以通過引入一個角度來確定。定義小車前輪行進(jìn)方向所在直線與賽道中軸線之間所成的角度為前輪角度，記為。已知設(shè)計好的小車軌跡為一條余弦曲線，以第一個障礙物為原點，記函數(shù)為。則可以通過下面的公式得到：

將代入上式，即得到發(fā)車時的前輪角度。

理論計算是容易實現(xiàn)的，但實際確定這個角度卻存在困難，因為前輪角度的變化不太容易觀察和控制。建議可以借助其通過搖桿-連桿-曲柄相連的大齒輪，它的變化更容易被觀察，也更方便實現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

確定好發(fā)車時的前輪角度之后，接下來需要確定車身位置。

2.2發(fā)車車身位置的確定

理論上來講，對于車身關(guān)于前輪位置左右對稱的小車，在其行進(jìn)過程中車身中軸線也應(yīng)該始終與設(shè)計好的軌跡相切，但由于各種不確定因素的影響，肯定會存在一些偏差，故在確定發(fā)車位置時，也需要做出相應(yīng)的調(diào)整。（注：對于不是這種車身結(jié)構(gòu)的小車，其行進(jìn)過程中車身中軸線與設(shè)計軌跡也可以看作是相切的，只不過存在一個偏移量而已，方法類似。）

我們知道，平面上兩點確定一個物體的位置，對于小車來說，關(guān)鍵就在于使用哪兩個點定位更精準(zhǔn)，更穩(wěn)定。具體的定位方法有很多，除了使用兩點定位法外還可以使用點線定位、線線定位等，這與小車的具體結(jié)構(gòu)有關(guān)。前面我們提到，發(fā)車位置的確定與軌跡調(diào)試是相輔相成的，這時就需要我們利用“單一變量原則”，結(jié)合第1節(jié)中的“繞線原則”，保證繞線位置、前輪發(fā)車角度、和車身的一個定位點不變，多次改變另一個定位點，觀察小車軌跡，當(dāng)小車可以順利繞過前幾個障礙物時，我們就認(rèn)為找到了一個相對理想的發(fā)車位置。

2.3曲柄-連桿-搖桿機構(gòu)的調(diào)節(jié)

曲柄-連桿-搖桿機構(gòu)對小車的軌跡影響最大，前面我們已經(jīng)找到了一個相對理想的發(fā)車位置，這時再開始調(diào)節(jié)連桿機構(gòu)，整個過程仍然遵循“單一變量原則”，期間可以靈活選擇變量，總結(jié)規(guī)律，多次試驗，最終實現(xiàn)理想的行駛軌跡。

3總結(jié)

對于“S形”無碳小車行駛軌跡的調(diào)試，離不開大量的試驗總結(jié)和經(jīng)驗積累，各參賽者可以參考筆者給出的步驟和方法，結(jié)合實際情況，進(jìn)行改善和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]康小云.S型越障無碳小車設(shè)計[J].時代農(nóng)機，2017，44（7）：103.