以重力勢能驅(qū)動的具有方向控制功能的自行小車(S軌跡)

1、以重力勢能驅(qū)動的具有方向控制功能的自行小車（S軌跡）小組成員：邵顯晶、侯單懿、張燁、廖軼目錄Part One ：緒論1.1 命題要求1.2 選題項目1.3 前期思考Part Two ：方案設(shè)計2.1 原動模塊2.2 傳動模塊2.3 轉(zhuǎn)向模塊2.4 行進(jìn)模塊2.5 微調(diào)模塊Part One :緒論1.1 命題要求本屆競賽命題為“以重力勢能驅(qū)動的具有方向控制功能的自行小車設(shè)計一種小車，驅(qū)動其行走及轉(zhuǎn)向的能量是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，由給定重力勢能轉(zhuǎn)換而得到的。該給定重力勢能由競賽時統(tǒng)一使用質(zhì)量為 1Kg的標(biāo)準(zhǔn)整碼（。50X65 mm碳鋼制作）來獲得，要求整碼的可下降高度為 400+ 2mm標(biāo)準(zhǔn)整碼 始終

2、由小車承載，不允許從小車上掉落。圖 1為小車示意圖。圖1無碳小車示意圖要求小車在行走過程中完成所有動作所需的能量均由此給定重力勢能轉(zhuǎn)換而得，不可以使用任何其他來源的能量。要求小車具有轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，且此轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)具有可調(diào)節(jié)功能，以適應(yīng)放 有不同間距障礙物的競賽場地。要求小車為三輪結(jié)構(gòu)。其中一輪為轉(zhuǎn)向輪，另外二輪為行進(jìn)輪，允許二行進(jìn) 輪中的一個輪為從動輪。具體設(shè)計、材料選用及加工制作均由參賽學(xué)生自主完成1.2 選題項目第一輪 S型賽道避障行駛競賽經(jīng)現(xiàn)場公開抽簽，在土 200300mme圍內(nèi)產(chǎn)生一個“ s型賽道第一輪障 礙物間距變化值和變化方向。競賽小車在前行時能夠自動繞過賽道上設(shè)置的障礙物，如圖

3、2。賽道寬度為2米，障礙物為直徑20mm高200mm勺圓棒，沿賽道中線從距出發(fā)線1米 處開始按間距1米擺放，擺放完成后，將偶數(shù)位置的障礙物按抽簽得到的礙 物間距變化值和變化方向進(jìn)行移動（正值遠(yuǎn)離，負(fù)值移近）,形成的即為競賽 時的賽道。以小車前行的距離和成功繞障數(shù)量來評定成績，。參賽前，各隊加載由競賽組委會統(tǒng)一提供的標(biāo)準(zhǔn)整碼，在指定的賽道上 進(jìn)行比賽。小車出發(fā)位置自定，但不得超過出發(fā)端線和賽道邊界線。每隊小 車運(yùn)行2次，取2次成績中的最好成績。小車有效的繞障方法為：小車從賽道一側(cè)越過一個障礙后，整體越過賽道中線且障礙物不被撞倒或推出障礙物定位圓；連續(xù)運(yùn)行，直至小車停止。小車有效的運(yùn)行距離為：停止

4、時小車最遠(yuǎn)端與出發(fā)線之間的垂直距離評分標(biāo)準(zhǔn)：每米得2 分，測量讀數(shù)精確到毫米；每成功繞過1 個障礙得8分，以車體投影全部越過賽道中線為判據(jù)。1 次繞過多個障礙時只算1 個；多次繞過同1 個障礙只算1 個；障礙被撞倒或推開均不得分。1.3 前期思考1、小車重量保證在滿足穩(wěn)定性的情況下越輕越好；2 、小車寬度保證在滿足不翻車的情況下越窄越好；3 、物塊下落的最終速度越慢，小車獲得的能量越多；4 、車速不能過慢，否則會中途停車；5 、傳遞主動力的機(jī)構(gòu)越多，傳遞效率越低；Part Two ：方案設(shè)計2.1 原動模塊原動模塊是驅(qū)動小車行進(jìn)的模塊，其中的能量轉(zhuǎn)換為：物塊具有的重力勢能-小車內(nèi)部摩擦消耗的內(nèi)

5、能（無用）+小車行進(jìn)摩擦消耗的內(nèi)能（無用）+小車行進(jìn)的動能（有用）+物塊的末動能（無用）。所以原動模塊在保證實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的前提下，要盡量多的將物塊的重力勢能轉(zhuǎn)換為小車行進(jìn)的動能。需要注意的項目：1、驅(qū)動速度適中，保證小車持續(xù)不間斷行進(jìn)，保證小車轉(zhuǎn)彎時不翻車，保證物塊在小車行進(jìn)中不劇烈晃動；2、物塊下降結(jié)束時，盡量保證其豎直速度接近零，避免速度太快撞擊小車改變小車運(yùn)動軌跡，避免將能量浪費(fèi)在物塊的末動能上；3、機(jī)構(gòu)盡量簡單，減少原動模塊內(nèi)的能量損失。所以我們決定：原動模塊采用簡易純輪結(jié)構(gòu)。2.2 傳動模塊傳動模塊是將物塊下降產(chǎn)生的動力傳遞給小車的行進(jìn)模塊，為了保證小車行進(jìn)平穩(wěn)、距離長遠(yuǎn)，傳動模塊應(yīng)

6、當(dāng)具有：1、傳遞效率高，浪費(fèi)的能量少；2、自 身結(jié)構(gòu)重量輕，保證傳遞穩(wěn)定。所以共有兩種可選方案：1、齒輪結(jié)構(gòu)，齒輪傳動的優(yōu)點(diǎn)是傳動比穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊，具缺點(diǎn)是齒輪摩擦消耗能量較多、齒輪磨損 相對嚴(yán)重；2、帶輪結(jié)構(gòu)，帶輪傳動的優(yōu)點(diǎn)是傳動平穩(wěn)、緩沖減震，其缺點(diǎn)是傳 遞效率低、精度不高。所以我們決定：傳動模塊采用齒輪結(jié)構(gòu)。2.3 轉(zhuǎn)向模塊轉(zhuǎn)向模塊是小車設(shè)計的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，直接決定小車功能的實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)向模塊的功能是驅(qū)使小車前輪做往復(fù)左右擺動。 轉(zhuǎn)向模塊的要求是可靠性高、 穩(wěn)定性好、盡量減少能耗、可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)等。共有如下幾種方案：1、凸輪結(jié)構(gòu)，使用凸輪的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定，缺點(diǎn)是加工困難、

7、可調(diào)節(jié)性差、重量過大、精度不高、依賴力封閉；2、曲柄搖桿結(jié)構(gòu)，曲柄搖桿的優(yōu)點(diǎn)是精度 較高、制造容易、幾何封閉、便于潤滑、體積質(zhì)量小、擁有急回特性可以滿足偶 數(shù)桿距離變換的要求，缺點(diǎn)是運(yùn)動軌跡復(fù)雜很難設(shè)計、構(gòu)件數(shù)過多效率不高;所以我們決定：轉(zhuǎn)向模塊采用曲柄搖桿結(jié)構(gòu)2.4 行進(jìn)模塊行進(jìn)模塊實(shí)現(xiàn)了小車的前進(jìn)（包括轉(zhuǎn)向前進(jìn)）。行進(jìn)模塊需要注意：1、輪子 設(shè)計越大、摩擦阻力越??；2、輪子設(shè)計不能過大，否則車身重心過高，穩(wěn)定性 不好。前輪為轉(zhuǎn)向輪，不直接作為驅(qū)動輪。后輪的設(shè)計共有如下幾種方案：1、雙驅(qū)動后輪，雙輪共同驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)動力足、小車不易停車，缺點(diǎn)是精度不高、容 易形成過約束，出現(xiàn)其中單一輪打滑或空轉(zhuǎn)，滑動摩擦過大使能量損耗過大；2、 雙差速后輪，通過差速器可實(shí)現(xiàn)差速驅(qū)動，優(yōu)點(diǎn)是很好的減少能耗、保證運(yùn)動要 求，缺點(diǎn)是主動輪從動輪切換時運(yùn)動軌跡復(fù)雜， 易導(dǎo)致小車變向；3、單輪驅(qū)動， 保證一輪包為驅(qū)動輪，另一輪包為從動輪，優(yōu)點(diǎn)是效率較高、傳動精度較高，缺 點(diǎn)是行進(jìn)速度不穩(wěn)定、拐彎速度復(fù)雜。所以我們決定：行進(jìn)模塊采用單輪驅(qū)動。2.5 微調(diào)模塊微