自適應(yīng)可翻轉(zhuǎn)探測(cè)車

1、自適應(yīng)可翻轉(zhuǎn)探測(cè)車首先搜集了大量的資料， 對(duì)目前世界上的探測(cè)車研制情況有了一個(gè)大體的了解，然后結(jié)合自己的創(chuàng)意，列出了一系列的方案，經(jīng)過(guò)認(rèn)真的討論和試驗(yàn)，最終確定了參賽方案。在方案中，四面可翻轉(zhuǎn)是一個(gè)靈魂，無(wú)論怎么將車設(shè)計(jì)成什么樣子，這一個(gè)功能是不變的。至于其它的如無(wú)線遙控，人工智能，太陽(yáng)能供電，只是在此基礎(chǔ)上的一個(gè)運(yùn)用，大方向是不變的。對(duì)于所確定的機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)是一個(gè)比較棘手的問(wèn)題。因?yàn)闊o(wú)論是鏈傳動(dòng)還是帶傳動(dòng)都會(huì)涉 及到動(dòng)力傳遞時(shí)的效率和標(biāo)準(zhǔn)件的購(gòu)買問(wèn)題。最后決定不用鏈傳動(dòng)和帶傳動(dòng)，靠電機(jī)通過(guò)軸直接傳動(dòng)。雖然這樣的設(shè)計(jì)會(huì)增加電機(jī)的個(gè)數(shù)（每個(gè)輪子由一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)），但它比用標(biāo)準(zhǔn)件的優(yōu)點(diǎn)在于可以提高傳動(dòng)

2、效率，減輕整車的重量，可靠性增強(qiáng)。電機(jī)傳動(dòng)如圖1所示：圖1電機(jī)傳動(dòng)方式1這種傳動(dòng)方式由于加工誤差等問(wèn)題，電機(jī)軸和傳動(dòng)軸的同軸度問(wèn)題無(wú)法解決，并且出現(xiàn)了在傳動(dòng)軸另一端出現(xiàn)圓錐擺動(dòng)的情況。于是又改為如下方案（見(jiàn)圖2）：雖然這解決了圓錐擺的問(wèn)題，但是由于加工誤差同軸度問(wèn)題始終沒(méi)有得到很好的解決。而且在傳動(dòng)時(shí)，電機(jī)提供力拒的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)和力F近似相等的力，這個(gè)力將使傳動(dòng)軸的軸線作圓周運(yùn)動(dòng)，所以第一代車的傳動(dòng)效率是比較差的，以至于出現(xiàn)動(dòng)力不足的問(wèn)題。因此，如果想電機(jī)直接傳動(dòng)，最好不要用以上兩種傳動(dòng)方式。對(duì)于傳動(dòng)軸，將其設(shè)計(jì)成一個(gè)減震連軸器。其爆炸試圖如圖，主要工作原理是電機(jī)固定在電機(jī)蓋板上，并和外套

3、筒一起固定于車身上。電機(jī)通過(guò)減震連軸器和輪子軸將動(dòng)力傳給輪子，外套筒起一個(gè)支撐作用。 在減震方面，將減震連軸器設(shè)計(jì)成中空狀， 裝配時(shí)先將彈簧放入減震連軸器內(nèi)，然后插入輪子軸，之后將銷釘通過(guò)減震連軸器上的銷釘槽插入輪子軸上的銷釘孔內(nèi)，這樣就實(shí)現(xiàn)了避震的功圖3第一代效果圖圖4第一代實(shí)物圖對(duì)于中間的連接，考慮了很多的方案，最終決定采用角鋁，這樣既可以連接前后車體,還可以搭起一個(gè)放電路板、電源、開(kāi)關(guān)的空間。當(dāng)主體部分完成之后，準(zhǔn)備將太陽(yáng)能電池也裝到車上。當(dāng)時(shí)采用了不倒翁的原理，靠重塊來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池的始終朝上。 但由于所加重 塊的質(zhì)量至少相當(dāng)于車原重的 70 %,它加重了車的負(fù)擔(dān)， 使車運(yùn)動(dòng)不夠靈活，

4、 并且車的爬 坡能力也大幅度的下降。同時(shí)從圖上可以看到輪子比較大且側(cè)面是一個(gè)平面，這樣就有可能在車子翻轉(zhuǎn)的時(shí)候成十字架狀立在地面上， 在實(shí)地演示的時(shí)候也確實(shí)出現(xiàn)了這樣的情況，但在五月份的預(yù)賽中沒(méi)有能夠?qū)⑦@個(gè)致命的缺陷修改過(guò)來(lái)。由于靈魂部分非常突出，所以在五月份的華東區(qū)預(yù)選賽中成功出線。當(dāng)然也知道自己的作品非常粗糙，有很多的缺陷存在，于是在暑假對(duì)車進(jìn)行了重大的改進(jìn)。需要重點(diǎn)改進(jìn)的地方有：支撐太陽(yáng)能板的重塊、旋轉(zhuǎn)倉(cāng)的配備、電機(jī)傳動(dòng)的效率、死角問(wèn)題。圖5第二代旋轉(zhuǎn)倉(cāng)在航天領(lǐng)域有這么一句話：為了減輕一克而努力。所以，靠重塊來(lái)解決太陽(yáng)能板始終朝上的問(wèn)題是不可取的。 同時(shí)考慮到某些車載儀器也需始終朝上的因

5、素，決定設(shè)計(jì)一個(gè)旋轉(zhuǎn)倉(cāng)。這樣既可以用其裝載特殊儀器， 并且可以將太陽(yáng)能板也固定在旋轉(zhuǎn)倉(cāng)上，可謂一舉兩得。當(dāng)時(shí)旋轉(zhuǎn)倉(cāng)的設(shè)計(jì)的難度在于要設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單可靠的獨(dú)立閉環(huán)反饋系統(tǒng)。也考慮了靠單片機(jī)來(lái)控制這個(gè)系統(tǒng)，但是安全系數(shù)比較低，一旦單片機(jī)系統(tǒng)出故障， 則可能導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)倉(cāng)所搭載儀器的損壞，嚴(yán)重時(shí)可使探測(cè)車徹底報(bào)廢。 當(dāng)時(shí)大體的思路是將旋轉(zhuǎn)倉(cāng)作為一個(gè)行星齒輪架， 電機(jī)裝在行星架上，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)則靠比較器給出的信號(hào)來(lái)確定，從而保證旋轉(zhuǎn)倉(cāng)始終朝上。雖然有了思路，但是具體實(shí)施起來(lái)卻是比較困難的事，這個(gè)比較器要有一定的靈敏度，但是不能太靈敏，因?yàn)檐囋谛旭傔^(guò)程中車身會(huì)因?yàn)榈孛娑繒r(shí)每刻改變相對(duì)位置?？梢哉f(shuō)是一個(gè)偶然，

6、發(fā)現(xiàn)有一種開(kāi)關(guān)不但具有常開(kāi)和常閉兩種狀態(tài)，而且形狀恰好能符合使用的要求。 于是設(shè)計(jì)除了一個(gè)完全獨(dú)立于單片機(jī)系統(tǒng)的閉環(huán)反饋系統(tǒng)。原理圖如下：左廠關(guān)它的基本工作原理： 由于用的是大減速比的直流減速電機(jī)，所以其自鎖性很好， 因此在平地行駛時(shí)，靠電機(jī)的自鎖就能固定旋轉(zhuǎn)倉(cāng)的位置，一旦車身翻轉(zhuǎn)，小擺錘碰到開(kāi)關(guān)，電機(jī)工作帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)倉(cāng)向反方向運(yùn)動(dòng)，從而保證其始終朝上。由于條件限制，的電機(jī)不是很好，而且考慮到旋轉(zhuǎn)倉(cāng)內(nèi)器件的布置，電機(jī)放置的位置也不是最佳，以上兩點(diǎn)導(dǎo)致了電機(jī)經(jīng)常性過(guò)載損壞的事故。因此，如果有用電機(jī)的地方，除了特別明顯的地方，一定要算好功率，如果 市場(chǎng)上沒(méi)有符合要求的，盡可能改方案。對(duì)于電機(jī)的傳動(dòng)效率

7、， 從上面兩種方案的分析不難發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的所在： 一是加工精度要求 太高，一般無(wú)法達(dá)到；二是傳遞動(dòng)力的時(shí)候， 除了力矩還有附加力的存在； 第三就是因?yàn)橛?于以上兩種情況而導(dǎo)致的外套筒和減震連軸器間的摩擦增大，效率降低。對(duì)策有：1）換用輸出功率更高的電機(jī)2）改變結(jié)構(gòu)，降低加工精度的要求3）以力偶的方式傳遞動(dòng)力4）外套筒和減震連軸器之間加軸承其結(jié)構(gòu)如圖7所示:圖7第二代電機(jī)傳動(dòng)圖在這個(gè)設(shè)計(jì)中，采用了帶鋼銷的電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)連軸器時(shí)鋼銷以力偶的方式傳遞動(dòng)力。加工的時(shí)候連軸器上的孔比電機(jī)軸稍大，這樣就成了一個(gè)萬(wàn)向連軸器。 雖然這個(gè)萬(wàn)向連軸器中的連軸器和電機(jī)軸的軸線只能成一個(gè)很小的角度，但是這對(duì)于補(bǔ)償加工誤差

8、已經(jīng)是綽綽有余了。這也就大大降低了對(duì)加工精度要求。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)的改進(jìn)效果很明顯，傳動(dòng)效率很高，非 常平穩(wěn)。對(duì)于死角問(wèn)題，一時(shí)無(wú)法將車改進(jìn)為可以自動(dòng)判斷位置并保證在死角點(diǎn)能夠自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，并且由于輪子是買來(lái)的，一時(shí)無(wú)法改進(jìn)輪子的形狀，所以將車設(shè)計(jì)成前后兩部分可以在一定 角度范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)， 這樣就大大降低了車的死角故障，并且這樣減震連軸器在一定意義上也就可以省略掉， 這對(duì)在短時(shí)間內(nèi)完成改進(jìn)是很有幫助的。畢竟這次參賽所剩的時(shí)間不多了。采用了這種十字結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)雖然有很多的優(yōu)點(diǎn)，但是它仍然有一些缺點(diǎn)沒(méi)有改進(jìn)。其中十字結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中一個(gè)無(wú)法避免的缺點(diǎn)就是但車遇到小的坡度時(shí)會(huì)迎難而上”不會(huì)照原有的路線前進(jìn)，這

9、點(diǎn)很不利。第二是車子轉(zhuǎn)彎是靠左右兩側(cè)輪子的差速實(shí)現(xiàn)的，與坦克的轉(zhuǎn)彎原理相同，所以摩擦較大，而設(shè)計(jì)的前后車體相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)在這里面不是很合理，在轉(zhuǎn)彎時(shí)如果地面和輪子的摩擦系數(shù)較大的話一個(gè)輪子會(huì)離開(kāi)地面。死角故障仍然有可能發(fā)生，因?yàn)檩喿觽?cè)面還是一個(gè)平面。這些就有待于下一步的改進(jìn)了。以上主要是對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及改進(jìn)過(guò)程的介紹，下面談一下具體定零件和零件加工中的問(wèn)題。由于加工條件的限制， 有很大一部分零件加工需要自己完成。在定零件圖的時(shí)候不但要考慮結(jié)構(gòu)工藝性，并且要考慮現(xiàn)有設(shè)備條件，同時(shí)還要考慮材料的選用。 在整個(gè)制作過(guò)程中，體會(huì)很深的是對(duì)動(dòng)手能力的要求比較高。這輛車的所有加工中，自己動(dòng)手的部分約占了七成

10、。只有大件才送到工藝實(shí)習(xí)場(chǎng)做，并且只是外輪廓加工到尺寸，零件上的孔基本都是自己動(dòng)手打的。精度要求不高的就直接上鉆床，有要求的就去南高院一樓的實(shí)驗(yàn)室用數(shù)控鉆銃床打。最后車的裝配也是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，車的裝配過(guò)程只有一種方法：從中間往兩邊裝。裝好后拆卸不但麻煩，而且會(huì)影響車的性能。 所以在裝配的過(guò)程中每一步都很小心，裝一步檢圖8第二代實(shí)物圖圖9二代安裝圖對(duì)于車的電路控制部分:圖10第一代電路圖11第二代電路為了使其能夠?qū)崿F(xiàn)其優(yōu)越的功能，尤其是自適應(yīng)，采用單片機(jī)控制，以實(shí)現(xiàn)以下功能：1）四面翻轉(zhuǎn)和每個(gè)面的前、后、左、右控制為了使探測(cè)車可以四面翻轉(zhuǎn)，并可進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制， 采用單片機(jī)，利用四向開(kāi)關(guān)來(lái)確定

11、探測(cè)車的工作面，并通過(guò)遙控器來(lái)控制車子的驅(qū)動(dòng)控制。2）遙控和自動(dòng)駕駛采用觀點(diǎn)開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)駕駛，使之兼有遙控和自動(dòng)駕駛功能，使這兩者互補(bǔ)，發(fā)揮探測(cè)車的無(wú)窮潛力和魅力。3）脈寬調(diào)速為了適應(yīng)不同路況，先鋒號(hào)”采用硬件脈寬調(diào)速，SCM（ AT89S8252）， TLC7226，TL494，非門(mén)和與門(mén)同 L293D來(lái)實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制。從而使車子可以達(dá)到以七種速度運(yùn)行，進(jìn) 一步加強(qiáng)其自適應(yīng)能力。4）過(guò)流保護(hù)考慮到路面的復(fù)雜性， 電機(jī)有可能會(huì)堵轉(zhuǎn)， 從而燒毀電機(jī)，因而采用電流反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)電 機(jī)的過(guò)流保護(hù)。5）路面安全監(jiān)測(cè)和語(yǔ)音報(bào)警由于路面的復(fù)雜性， 為了確保先鋒號(hào)”的安全，在加強(qiáng)對(duì)車子的機(jī)構(gòu)改進(jìn)的基礎(chǔ)上，采用

12、光電傳感器，對(duì)路面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過(guò)語(yǔ)音報(bào)警，使探測(cè)車具有人的能動(dòng)性，進(jìn)一步加強(qiáng) 先鋒號(hào)”的自適應(yīng)能力。自適應(yīng)可翻轉(zhuǎn)探測(cè)車發(fā)生翻轉(zhuǎn)后， 著地的面發(fā)生了變化， 這時(shí)需要控制系統(tǒng)判斷到底是 哪個(gè)面著地，然后通過(guò)控制系統(tǒng)的控制功能， 使不著地的輪子不轉(zhuǎn)， 使著地那一面的輪子按 照特定方向旋轉(zhuǎn)，保證探測(cè)車翻轉(zhuǎn)后按原方向前進(jìn)。 那控制系統(tǒng)靠什么來(lái)判斷探測(cè)車是哪個(gè)面著地呢？設(shè)計(jì)了控制開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。如圖11所示，控制開(kāi)關(guān)由構(gòu)成特定形狀的絕緣盒子（1 ）、銅片（2 ）、銅柱（3 ）和連接銅片的導(dǎo)線（4 ）組成。圖12四向控制開(kāi)關(guān)控制開(kāi)關(guān)內(nèi)型腔的形狀是四個(gè)相對(duì)中心對(duì)稱分布的近似“ V字形，近似“ V字形腔的

13、兩側(cè)嵌有互不接觸的銅片（2 ），并分別從銅片（2 ）引出導(dǎo)線（4 ），內(nèi)放一個(gè)圓柱形的銅柱（3 ）,銅柱（3 ）的直徑大小以它的側(cè)面剛好能被兩側(cè)銅片（2 ）夾住而不掉下來(lái)為宜?？刂崎_(kāi)關(guān)的四個(gè)近似“V字形端分別與探測(cè)車的四個(gè)面對(duì)應(yīng)，當(dāng)控制開(kāi)關(guān)中的銅柱（3 ）在重力的作用下落于某一端時(shí)，銅柱（3 ）必然跟與其相鄰的兩片銅片 （2 ）接觸，使該端所連的電路接通，當(dāng)探測(cè)車翻轉(zhuǎn)到另一個(gè)面時(shí)，銅柱（3 ）就會(huì)將另一個(gè)面所對(duì)應(yīng)端的電路接通。將這接通信號(hào)輸入給控制系統(tǒng)的單片機(jī)，控制系統(tǒng)就可以判斷探測(cè)車到底是哪個(gè)面著地。探測(cè)車在行駛中必然有震動(dòng)，這使得銅柱很可能與跟它接觸的銅片接觸不良，這會(huì)不會(huì)影響探測(cè)車正常行

14、駛呢？答案是不會(huì)的。探測(cè)車的四個(gè)工作面，對(duì)應(yīng)著四種不同的電機(jī)工作狀態(tài)，當(dāng)單片機(jī)接收到某一個(gè)面的著地信號(hào)后，就會(huì)使與這個(gè)面對(duì)應(yīng)的電機(jī)工作狀態(tài)有效， 在這期間，即使銅柱與跟它接觸的銅片接觸不良，甚至根本沒(méi)接觸，探測(cè)車仍然會(huì)保持原先的電機(jī)工作狀態(tài)不變， 直到單片機(jī)接收到另一個(gè)面的著地信號(hào)后，探測(cè)車才切換到新的電機(jī)工作狀態(tài)。所以，銅柱與銅片的接觸不良，不會(huì)影響探測(cè)車的正常行駛。對(duì)于能量提供:探測(cè)車的供能裝置要給電機(jī)供電，還要給控制系統(tǒng)供電，作為在外星球執(zhí)行探測(cè)任務(wù)的探測(cè)車，必然要有自己的一套電力生成系統(tǒng)，而取之不盡的太陽(yáng)能自然是最佳選擇，因此需要太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。除此之外，還需要一個(gè)儲(chǔ)能裝

15、置將多余的太陽(yáng)能儲(chǔ)存下來(lái)，原因很簡(jiǎn)單：假如沒(méi)有儲(chǔ)能裝置， 在白天日照強(qiáng)烈的時(shí)候，就會(huì)有很大一部分太陽(yáng)能因沒(méi)被探測(cè)車用完而浪費(fèi)掉，而在日照不夠的時(shí)候或沒(méi)有日照的夜間，探測(cè)車則會(huì)因沒(méi)有足夠的能源提供而不能工作?？紤]到可實(shí)現(xiàn)性，擬選用市場(chǎng)上容易買到的充電電池實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能供 電功能。1）充電電池選用選用了鋰電池作為探測(cè)車的電源，但鋰電池也有不足之處，就是對(duì)過(guò)充電和過(guò)放電十分敏感，因此，需要對(duì)鋰電池加一個(gè)保護(hù)電路模塊。所選鋰電池的各項(xiàng)參數(shù)為：電池中點(diǎn)電壓：3.6V電池容量：2200mAh考慮到所選電機(jī)的額定電壓為12V，所以要用到 4節(jié)鋰電池，產(chǎn)生總電壓為：3.64=14.4V，并通過(guò) DC-DC模塊電源，

16、將電壓轉(zhuǎn)換為5V為控制電路供電。2）太陽(yáng)能電池選用太陽(yáng)能電池是通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，目前市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品是硅系太陽(yáng)能電池，可分為單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池、非晶硅薄 膜太陽(yáng)能電池。經(jīng)過(guò)到南京華龍電子商城實(shí)地選購(gòu)，選用了型號(hào)為NE 10983-12的太陽(yáng)能電池板，它的各項(xiàng)參數(shù)是：?jiǎn)螇K太陽(yáng)能電池板尺寸：108 88伽標(biāo)況下產(chǎn)生電壓：5.76V 電流：175mA之所以選這種型號(hào)的電池，是因?yàn)樗谀苜I到的太陽(yáng)能電池板中，單位面積產(chǎn)生功率最大，同時(shí)單塊面積也最大 （要用到的太陽(yáng)能電池板面積比較大，需要多塊拼起來(lái)，所以希望太陽(yáng)能電池板單塊面積越大越好）。由于選用的鋰電池總電壓為14.4V，故至少需要三塊太陽(yáng)能電池板串聯(lián)起來(lái)才能提供足夠的電壓，為增大太陽(yáng)能板的總功率，擬總共采用6塊電池板，每三塊串聯(lián)組成一個(gè)電源，然后將兩個(gè)電源并聯(lián)起來(lái)。經(jīng)組合后，其參數(shù)為：太陽(yáng)能電池板總面積：108 ：88 6= 57024 :“廣標(biāo)況下產(chǎn)生電壓：5.76 3=17.28 V標(biāo)況下產(chǎn)生電流：175童2=350 mA3）太陽(yáng)能供電裝置的設(shè)計(jì)太