重力势能驱动的智能越障小车的设计

葛桐旭　吴艺伟　胡志超

摘要：小车由重力势能驱动与智能越障两部分构成。重力势能驱动部分，小车直接运用重力势能通过传动系统转换的动能驱动前进；智能越障部分需要加入MEGA2560单片机、Arduino程序控制电路、舵机以及超声波传感器；通过超声波传感器来探测障碍物并测量距障碍物的距离，然后将信息传给单片机进而控制舵机执行转向越障功能。应用Creo软件进行小车的部分实体建模，在建模的基础上对各个零件进行详细设计。

关键词：重力势能；智能越障；超声波；单片机；Arduino；Creo软件

2014年6月在两院院士大会讲话中，习近平总书记引用《礼记·大学》名句“苟日新，日日新，又日新”，直指“我国科技发展的方向就是创新、创新、再创新”。“惟创新者进，惟创新者强，惟创新者胜”。通过培养创新能力进而得到创新型人才，这样的人才将会对社会的发展与科技的进步做出更多的贡献。前几届全国大学生工程训练综合能力竞赛都以“无碳小车”为命题，突出强调了节能减排。重力势能驱动的智能越障小车是无碳小车的进一步升华，该命题更接近生活，更具有实际的价值。

1 作品设计

该项目的研究在如今汽车发展应用中具有重要意义。

一方面，汽车尾气排放不断增多、全球变暖问题日益严峻，这些情况让汽车生产商家重新规划汽车未来的发展方式。虽然在汽车的研发方面也有了一定的突破，但这些成本高、性能还远远达不到要求。因此，新兴能源的研究开发及使用变得尤为重要。

另一方面，传感器、单片机、舵机等部件通过程序控制小车起到越障的功能。如今许多家用汽车的ACC自适应巡航技术在一定程度上减轻驾驶员疲劳驾驶，更高端的汽车公司向无人驾驶技术方面发展。

1.1 设计的总体方案

重力势能驱动的智能越障小车分为两部分。驱动部分：小车上自带重物下落产生重力势能，通过传动系统传动到驱动轮，进而驱动小车前进；转向越障部分：小车周围安装传感器，采集障碍物信息，反馈给单片机，进而控制舵机执行转向越障。

1.2 传动方式方案优选

方案一 链轮传动：链传动运用广泛，能够保证传动比，效率高，负载能力很强，传递功率较大。但该方案传动成本高，容易磨损，传动平稳性较差。

方案二 带传动：带传动效率较高，结构简单；但智能越障小车中两个传动轴的中心距较小，不易保证包角。

方案三 齿轮传动：齿轮传动的效率高，结构紧凑，传动比稳定，并且传动功率和速度范围广。

综合比较，最终选取齿轮传动，因为齿轮传动的效率较高，采用线切割技术加工铝板，齿轮精度较高，且结构紧凑，质量不会太大。

1.3 后轮驱动方式方案优选

方案一 双轮同步驱动：该方式在转向时产生轮子在地面打滑的现象，对小车的前行造成影响；相比滚动摩擦，滑动摩擦损失的能量更多。

方案二 双轮差速驱动：该方式可以利用差速器实现，完成小车的轨迹行驶。但是差速器的制造精度要求高、体积大、重量大。

方案三 单轮驱动：单轮驱动即一个后轮固定在轴上成为驱动轮，另一个后轮通过轴承和轴配合作为从动轮。

综上比较，单轮驱动具有结构简单、能量利用率高、传动精度高等优点。因此，最终选择单轮驱动作为小车的后轮驱动方式。

2 底板工艺分析

3 材料

（1）小车底板、后车轮、前后侧板采用5mm厚的有机玻璃板；（2）支架采用5mm厚的铝板；（3）小齿轮采用5mm厚的铝板；（4）采用直径为10 mm的碳素杆；（5）轴套、前叉、齿轮套采用3D打印材料。

4 项目总结

该项目是重力势能驱动的智能越障小车。首先我们要明白智能避障小车的工作原理，然后熟悉各个工件的功能，最后应用Creo软件进行小车的部分实体建模，在建模的基础上对各个零件进行详细设计。应用Arduino软件编写控制程序，基本实现预期的功能。

参考文献：

[1]Brian Evans著，楊继志，郭敬译.Arduino编程从基础到实践.中国工信出版集团：电子工业出版社.

[2]濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计.9版.北京：高等教育出版社，2013，5.

[3]李刚，周致成，袁航，等.S型专项运动无碳小车的改进设计研究[J].汽车实用技术，2014（2）：1316.

[4]吴新良，刘建春，郑朝阳.重力驱动的避障小车设计与制造[J].机械设计，2014，30（10）：2528.

作者简介：

葛桐旭（1996），女，汉族，河北景县人，西南石油大学，本科，研究方向：机械工程；

吴艺伟（1996），女，汉族，河南杞县人，西南石油大学，本科，研究方向：土木工程；

胡志超（1993），男，汉族，四川开江人，西南石油大学，本科，研究方向：机械工程。