“8”字型无碳小车起始定位工具的设计

李建波+张洪铭+李佺

摘 要：全国大学生工程训练综合能力竞赛是教育部高等教育司发文举办的全国性大学生科技创新实践竞赛活动，其竞赛主题是无碳小车的设计与制作，共分为三类，分别是“S”型赛道避障行驶竞赛，“8”字型赛道避障行驶竞赛，重力势能驱动的自控行走小车越障竞赛。本文介绍的工具是用于“8”字型赛道避障行驶竞赛中，确定无碳小车的出发位置。

关键词：工程训练综合能力竞赛；“8”字型；无碳小车；起始定位

全国大学生工程训练综合能力竞赛是教育部高等教育司发文举办的全国性大学生科技创新实践竞赛活动，是基于国内各高校综合性工程训练教学平台，为深化实验教学改革，提升大学生工程创新意识、实践能力和团队合作精神，促进创新人才培养而开展的一项公益性科技创新实践活动。[1]其中的“8”字型赛道避障行驶竞赛是要求无碳小车的行进轨迹绕中心两杆周期性往复运动，使其轨迹成“8”字。为使小车能周期性行走“8”字型轨迹，就需要小车从出发位置行进之后每走一圈都能使其轨迹尽可能重叠，以避免撞到所设障碍。小车行进的轨迹由出发时小车所放置的位置以及小车三个车轮所放置的状态决定，因此小车起始位置的确定对于小车行走“8”字型轨迹圈数的多少十分重要。

1 什么是无碳小车

无碳小车是以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车。驱动其行走及转向的能量是根据能量转换原理，由给定重力势能转换而得到的。该给定重力势能由竞赛时统一使用质量为1Kg的标准砝码（￠50×65 mm，碳钢制作）来获得，要求砝码的可下降高度为400±2mm。标准砝码始终由小车承载，不允许从小车上掉落。

2 競赛规则介绍

无碳小车是以重力势能为唯一能量的、具有连续避障功能的三轮小车，其中“8”字型赛道避障行驶竞赛的竞赛场地在半张标准乒乓球台（长1525mm、宽1370mm）上，有3个障碍成“L”形放置， “L”形的长边在球台的中线上，（放置球台时“L”形的长边平行主看台方向，短边垂直且远离主看台），经现场公开抽签，在400～500mm范围内产生“L”形的长边值，在300±50mm范围内产生“L”形的短边值。小车需绕中线上的两个障碍物按“8”字型轨迹运行，障碍物为直径20mm、长200mm的3个圆棒，圆棒中心分别放置在“L”形的3个端点上，以小车完成8字绕行圈数的多少来评定成绩。参赛时，要求小车以“8”字形轨迹交替绕过中线上2个障碍，保证每个障碍在“8”字形的一个封闭环内，同时不碰倒第3个障碍。一个成功的“8”字绕障轨迹为：两个封闭图形轨迹和轨迹的两次变向交替出现，变向指的是：轨迹的曲率中心从轨迹的一侧变化到另一侧。

3 起始定位的作用

无碳小车能够周期性的按照“8”字型轨迹避障行驶，一方面取决于小车的加工精度、装配精度，在小车的精度得到保障的前提下，小车才能在后续的调试过程中按照预先设计的轨迹行走，此外，当小车本身的精度有所欠缺时，它的行进轨迹每次都会有偏差，随着小车的行进逐渐撞到所设障碍。因此，后续的调试至关重要。有些误差在调试时可以得到相应的弥补，使其对小车行驶过程的影响降到最小。起始位置的确定是运动调试很重要的一个方面，一旦小车起始位置没有选择好或者在放置小车时稍有偏差，就会使小车很快撞到障碍物。当小车轨迹存在一定偏差时，可以调整小车的初始位置使小车尽可能的行驶更多的“8”字形轨迹，例如小车轨迹每次都向左偏斜，就可以调整小车的初始位置，使小车行驶的第一圈尽可能的往右偏，这样小车误差累积的时间就会延长，就能行走更多的“8”字形轨迹而不会撞到障碍物。

现在的起始位置确定更多的是凭借人在反复调试时所积累的经验，靠人的感觉进行确定，由于每次拆卸重新组装后，小车的状态都会有所差别，因此单凭经验既不科学也不可靠，并且还会出现放置小车时由于人的抖动改变了小车的状态，使小车行驶的轨迹无法确定，很容易造成小车一出发就撞杆的后果。

4 定位工具的设计思想

小车的起始定位首先是基准的建立，因为小车所要绕行的两个杆是固定不动的，因此以这两根杆的位置为参考点，通过所设计的定位尺确定小车与它所要绕行的第一根杆的相对位置，这样就确定了小车的位置基准。此外，小车的出发状态由前轮即转向轮，后轮即行进轮共同决定。小车的前轮与后轮位置依靠已经建立好的基准坐标进行定位。首先将小车的起始位置放置在两个障碍物中间，这样小车出发的理论初始状态是前轮和后轮行进方向平行，车身与两根杆所在的直线形成一个夹角。

如图1所示，定位工具由五部分组成，1是纵尺，2是主尺，3是连杆，4是前尺，5是斜尺。纵尺可以在主尺的槽内进行移动来改变位置，主尺和纵尺上面印有刻度便于准确定位，主尺和纵尺用来确定小车与所绕杆的相对位置。小车大致位置确定后接下来确定小车出发的姿态即行进轮和转向轮的方向。斜尺和前尺分别用来记录行进轮和转向轮的方向。在前期调试时大致摸索出小车偏斜程度，然后用定位工具进行调试，用斜尺贴近小车的后轮，并将斜尺与前尺调成平行并固定好，通过主尺上的刻度确定斜尺的的偏斜角度，每调一次车转动斜尺一点角度，观察小车的轨迹的调试，最终获得理想的轨迹线。调整好斜尺的角度就意味着后轮的偏斜位置确定。下一步是确定前轮的行进方向。前轮是转向轮控制着小车出发后的状态，前轮的角度变化牵一发而动全身。由于小车制作和装配时会有一定的误差，所以前轮和后轮的方向在所放位置不一定平行，所以需要旋转前尺微调其偏转角度，通过小车前轮角度的调整弥补相关误差，使小车的行走轨迹偏差更小。前轮和后轮的方向确定后，小车的出发状态就全部确定了。这样在小车每次出发时就可以利用定位尺记录好的状态出发，行走的轨迹就会确定下来。即使小车经过拆卸重新组装也可以利用定位尺快速确定出发状态，大大提高了调试的效率。

5 小结

全国大学生工程训练综合能力竞赛是以无碳小车为主题，要求所设计的小车是“以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车”。学生从无碳小车的要求来定位，通过能耗的分析、模型的设计、实体的加工、运动的调试，获得了完成一项工程的感悟。[2]而定位工具的设计与制作也是无碳小车设计与制作的一部分，它在无碳小车运动调试过程上的应用减少了运动调试的时间，降低了小车出发状态的不确定性，提高了小车的调试效率。

参考文献

[1]武小梅，王星华，刘艺，等.基于实训教学的工程素养和创新能力培养 [J].中国电力教育，2010，（30）

[2]裴鑫智. 开展大学生工程训练综合能力竞赛的意义——以无碳小车的改进和优化为例[J]. 山西科技，2015，05：103-104+109.