电控无碳小车的设计与转向控制

何海燕，杨 琦，洪明峰，余菲菲

（1.安徽工业大学 机械工程学院；2.安徽工业大学 创新教育学院；3.安徽工业大学 电气与信息工程学院，安徽 马鞍山 243002）

全国大学生工程训练综合能力竞赛是基于工程训练教学平台，面向全国在校本科生开展的科技创新实践的竞赛，第五届竞赛在原有的“8”形和“S”形的无碳小车赛项的基础上，新增了“以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车”赛项，将机械小车与电气控制相结合，设计一个三轮小车以给定重力势能（1kg标准砝码在400±2mm的位置的势能）驱动下，沿着放有不同间距障碍物的赛道（如图1所示）行径，以避障数量的多少，前进距离的长短来评价小车的性能.

图1 赛道示意图

本文根据命题要求，设计了一款采用一级圆柱齿轮传动，使用红外、超声波等传感器检测的电控无碳小车，具有结构简单、性能稳定、拆装方便，能够适应障碍不同间距变化的特点.

1 结构设计

1.1 驱动机构设计

小车的动能来源于1KG砝码下降400mm的重力势能，重物下落时由绕线带动绕线轮转动，实现势能转化为动能，通过齿轮传递力的作用，带动后轴转动，为保证小车平稳匀速运行，减少能量损失,且考虑到小车上坡和启动力矩较大，故将绕线轮设计为锥形以调节扭矩，输出轴为细光轴以保证匀速运行.

设小车质量为m1，砝码质量为m2，D为小车后轮直径，d为绕线轮直径，重物下降的加速度为a,绳子的拉力为T，F为小车的驱动力，

绕线轴的力矩

(K为考虑绕线时的摩擦而设的系数)

采用一级齿轮传动，则后轴上产生的力矩

后轴上的力矩即为小车驱动力矩，即M=M2

由（1）（2）（3）（4）联立得

小车的传递效率是η，行驶总路程为S，砝码下落高度为400mm

由能量转换关系得到：

其中Ek为小车的动能，W损为小车运行中由于摩擦而损失的能量由（6）式可知，在保证小车稳定行驶前提下，F越小，小车前进距离越长.

由（5）式可看出，绕线轴直径与小车驱动力成正比.

本次参赛无碳小车的质量为1.5kg,绕线轴最小直径为6mm,后轮直径为120mm,采用7级精度圆柱齿轮传动（稀油润滑），传动比为6，传动效率为0.98，采用滚珠轴承（稀油润滑），传动效率为0.99，当小车匀速前进时，砝码降落的加速度a为0.

假定K为0.98，小车在运行过程中的能量损失W损=1.5J,由式5计算可得F=0.98×1×9.8×0.006/(6×0.12)=0.08N

经过试验测得，当绳子在绕线轴6mm的部分时，小车匀速运动的速度为 0.152m/s,Ek=1/2（m1+m2）v2=1/2(1.5+1)×0.1522=0.02889J

由式6计算可得

S=(1×9.8×0.4×0.98×0.99-0.02889-1.5)/0.08=28.4286m

1.2 传动机构设计

因齿轮传动具有传动比稳定，传递效率高，结构简单的特点，故采用一级齿轮传动.考虑到轴向分力，摩擦损失和调试环节的安装时间，选择直齿圆柱齿轮.

由式（5）、（6）可知，在保证小车稳定行驶的前提下，F 越小，i越大时，小车前进距离越长，对于一级直齿轮传动，传动比一般在3～6，故将传动比选定为6.

考虑到机构紧凑性，齿轮模数选定为0.5，小齿轮齿数为20.考虑到运动平稳性及摩擦损失，后轮采用两个单向轴承来产生差速驱动.在使用单向轴承时，我们提出了一个单向轴承加一个滚动轴承配对使用的方法，实验证明，该方法可有效减少摩擦损失.

1.3 转向机构设计

精准的转向控制是该小车的关键设计之一，故转向机构应尽量简单精确.此处采用直接控制法.通过舵机转向轴与前轮安装架直接相连来控制小车前轮转向，其中舵机型号为HSR-5990TG，该舵机为金属舵机，具有扭矩大，反应速度快的优良特点.

1.4 底板设计

小车的底板设计关系到小车整体机构的排布，底板的宽度和长度及部件安装位置关系到小车重心位置，进而影响到小车运行的稳定性.小车底板过小将导致小车转弯过程中重心不稳，产生倾倒翻车现象，而底盘设计过大会导致小车结构性不强，且不容易避过障碍物.综合考虑下将底盘设计成类三角形，底板材料选择钢板，厚度为5mm，宽80mm，长130mm.

2 控制系统的设计

2.1 硬件电路设计

由于本次比赛的场地设置较为简单，环境普通，考虑到性价比，最终决定使用51单片机作为主控.由于超声波可用于识别透明及漫反射性差的物体，稳定性强，测量数据精确，同时，红外测距装置制作方便，精度较高，故让两者共同作用达到测距的目的.安装时，将超声波传感器装到小车的正前方，两个红外传感器分别装到车身两侧.角度测量使用MP6050，经过对程序的不断调试，实现小车借助声光波测距来智能避障.

2.2 控制策略

接通电源后，小车首先进行初始化各个设备.开始正常工作后，超声波传感器与红外传感器一直检测障碍物，不断根据传感器所得数据计算出小车所处位置，单片机会根据传感器的信号，进行解码分析，判断避障条件，控制转向舵机工作.

2.3 转向控制

2.3.1 转弯

小车在如图1所示A-B区域进行中等角度转角，在过弯B、E区域进行大角度转角，在上下坡C-D区域进行微小角度转角来控制方向，现对A-B区域中等角度转角进行分析.

小车位于挡板前方时，会利用传感器测出距离数据来计算自己所处位置并进行轨迹预测，其中距离传感器测出小车距离右边距离d,距离前方挡板L，算出沿预测方向所需转弯角度θ

图2 小车转弯初始位置图

通过控制转向舵机进行转向，使之沿预测路线行驶.

2.3.2 偏差矫正

转向舵机转向后，由舵机转角精度等问题，导致小车的位置不会立刻转到既定的位置，而是逐渐转向，导致实际轨迹与预测轨迹产生偏差，使得小车无法顺利避障.

由于偏差现象的产生，我们需对（1）式进行校正，小车转角的弧度需要根据舵机的旋转角度计算，基本公式为：

联立（1）（2）（3）（4）即可求解出 θ 角

其中：R为圆弧半径，θ为实际转向角，α为舵机旋转角度，d为前后轮中心,K由实验测得，d1、d2、L为小车运行中距离传感器测得的值.

图3 小车数据处理图

2.3.3 模糊处理

实际操作中，由于转向轮与地面摩擦，导致舵机旋转角度不能立即精准的旋转到指定角度，实际轨迹会滞后于修正轨迹，所以我们采用模糊处理，采用公式

通过改变A的值，采用试凑法使小车能够顺利转弯.

当小车转弯完成后，沿斜线前进时，测量小车与外挡板的距离d，当d=B后，（B为设定值）小车方向回正，沿直线前进，回正角为上一个θ角，小车完成避障.

3 结束语

该电控小车具有结构简单，运行稳定，能适应不同间距障碍赛道的特点.有效的避障系统设计，合理地绕线轮设计，调试时尽可能地减少车体自身摩擦能量的消耗，同时减轻小车质量，合理选用材料，减少小车与地面和空气的摩擦阻力，经过反复的调试与实验，最终小车运行符合预期，在安徽省第四届工程训练综合能力竞赛中获得一等奖.

〔1〕 陈晓东，石雁南，张莉莉.无碳小车的设计、制作与创新实践[J].实验室研究与探索，2013（12）：92-95.

〔2〕 张普，李森，刘洋.重力势能驱动的自控无碳小车设计,2017(04):39-41.

〔3〕 刘子浪,李德荣,林沛宣,庄集超，曾嘉煜.基于工程训练的自控行走小车结构设计与优化研究传动技术[J].2017（2）：41-44.

〔4〕 谢明升,元帅,张志研,王子栋,肖强.电控无碳小车的设计及研究.山东工业技术，2017（14）：197.

〔5〕 濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计[M].第九版.北京:高等教育出版社,2013.5.