原创《电控无碳小车的设计与》：该文是关于小车论文范文，为你的论文写作提供相关论文资料参考。
摘 要：根据第五届全国大学生工程训练综合能力竞赛的要求,设计一辆三轮结构并且自主寻迹避障转向的电控无碳小车.重锤是电控无碳小车唯一的能量来源.电控无碳小车由传动部分、驱动部分、刹车系统、转向系统、控制系统五大部分组成.最终能实现电控无碳小车上坡和自主避障的功能.
关键词：电控无碳小车；PID控制；机电一体化
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.174
0 引言
此次大赛题目是在往届竞赛命题基础上的修改,保留了重力势能驱动行进的特点,增加了自主寻迹避障转向控制功能.
竞赛要求如下：
（1）电控无碳小车采用三轮结构,其中一轮为转向轮,另外二轮为行进轮,允许二行进轮中的一个轮为从动轮.小车应具有赛道障碍识别、轨迹判断及自动转向功能和制动功能,这些功能可由机械或电控装置自动实现,不允许使用人工交互遥控.
（2）电控装置：主控电路必须采用带单片机的电路,电路的设计及制作、检测元器件、电机（允许用舵机）及驱动电路自行选定.小车上安装的电控装置必须确保不能增加小车的行进能量.
针对此要求设计了一辆电控无碳小车.
1 电控无碳小车结构组成
电控无碳小车由传动部分、驱动部分、刹车系统、转向系统、控制系统五大部分组成
2 无碳小车的设计
2.1 能量转换的设计
小车是以1KG物块下降400mm的重力势能作为其动力来源的.采用重物下落来带动轴上的绕线轮转动,经过齿轮传递驱动后轴转动的方式,来达到重力势能转为机械能的目的.考虑到小车上坡且开始的启动力矩较大,绕线轮采用锥形,来调节扭矩.用细光轴作为输出轴以确保小车平稳启动,减少能量损失,并且低速匀速运动.
2.2 驱动部分[1]
驱动部分由车轮,一对齿轮,轴承,轴,绕线轮组成.
考虑到小车首先上坡需要一定的动能才能上坡,所以设计绕线轮为锥形.
从能量守恒的角度推导锥线轮最大径与锥线轮锥线圈数：
（2.1）
其中：——小车总重量,——小车上坡高度,——锥线轮直径,——小车总传动效率,——锥线轮细光轴直径, ——锥线轮的螺距,——小车在水平路面上受到的总阻力,——小车发车线到上坡段坡底距离.
由（2.1）得出锥线轮直径.
在锥线轮为时,小车在段上进行匀加速运动,当小车运行到坡底时绳子绕上锥线轮锥线部分,并在上坡后绳子脱离锥线轮锥线槽绕底并绕上细轴部分.
用锥线轮,其一是为了实现小车在上坡过程中能量能够继续以较大的值输出,其二是为了使绳子顺利的从锥线轮半径较大的部分过渡到细光轴上,防止半径的直接跨度引起绳子的突降.为了防止绳子脱出,锥线轮锥线槽设计为内凹矩形状（如图1）,解决了圆弧状槽上绳子滑脱的问题[1].
2.3 传动部分
考虑到齿轮传动的传动比稳定,传递效率高,能量损失小,体积小且结构紧凑.该小车采用一级齿轮传动.考虑到无碳小车的载荷冲击非常小,决定采用小模数齿轮（m0.8）.
后轮采用两个单向轴承模拟出差速器的原理,加工方便,结构简单.
2.4 刹车系统
2.4.1 制动方式选择
由于采用差速方式为单向轴承差速,将轴抱死仅仅减少重锤部分能量输入,对于重力势能所引起的无法消除,提出摩擦后轮内表面实现减速方法.
2.4.2 对于摩擦后轮要注意几点
摩擦的同时性：由于小车为三轮行进方式,若小车后轮摩擦无法实现“同时”,将会导致小车将受弯矩导致小车可能出现侧翻可能.
后轮的抱死性：由于摩擦后轮若摩擦半径过大将导致产生较大摩擦力矩,致使后轮抱死容易出现小车前倾.
2.4.3 刹车结构介绍（如图2）[2]
刹车结构包括两个曲柄、舵机与舵机臂,通过铰链连接方式实现曲柄连杆机构点刹.
2.5 转向系统
2.5.1 结构组成
小车转向由舵机控制前轮转向,控制系统控制舵机使小车能够完成自动避障的功能.
控制系统的数据采集由车身左右两侧的超声波,正前方与两个斜45°的光电开关组成.
2.5.2 工作原理
（1）当正前方的光电开关检测到障碍物时,表面小车的沿边的这一侧有障碍物,舵机驱动前轮转向使小车会正转,直到一侧的光电检测不到障碍物才停止.此时说明小车成功越过了障碍物.
（2）当中间与另一侧光电开光同时检测障碍物,小车反转开始.
（3）当中间的光电检测不到障碍物,说明小车车身摆正,此时
通过PID进行调直.
（4）如果障碍物出现在小车沿边的另一侧,便只有另一侧的光电可以检测到障碍物,此时的小车会偏转一个小角度进行避让,通过后会迅速摆正,以此来躲避同侧的障碍物.
2.5.3 PID工作过程
小车在前进过程中,通过左右两侧的超声波控制小车贴壁行走,在小车预定偏离直线轨道时,通过PID调节,小车能自动控制舵机调整到预定轨迹上.
小车在弯道上行驶时PID控制系统便会实时根据超声波的数据来修正前轮的角度,以实现小车圆滑的通过弯道.
2.6 控制系统[3]
2.6.1 控制系统介绍
避障小车接受信号既有开关量,又有模拟量.避障的过程中元件的主要特点是随动性.小车采用的控制原理,以逻辑控制为主,闭环控制为辅.
传感器包括超声波,光电开关和光电测速码盘.
控制系统核心CPU为STM32F103RCT6.
执行器由负责转向的舵机和负责刹车的舵机构成.
2.6.2 控制系统程序设计
基于超声波的数据的PID调节,小车在实际调节过程中只使用了PD调节,即,输入为超声波的数据.输出为舵机控制信号的占空比,通过在实际情况中的系统动态特性变化,确定的值,实现小车的调直.以光电开关的信号判断小车在避障过程中的位置情况,实现良好的避障效果.
3 結语
此次比赛采用了齿轮一级传动,提高传动效率.为了配合小车上坡,采用锥形绕线轮.下坡时利用刹车系统降低小车下坡速度,使小车平稳运行.电控方面为配合机械方面的刹车,利用码盘测速找准刹车时机使能量损耗得以减少.
相对传统的无碳小车比赛电控无碳小车使我们进入了一个全新的领域,对机械与自动化结合提出来更高的要求,必须联调联试才能得到更好的结果,并且也使我们学科知识面得到拓展.
参考文献：
[1]濮良贵,陈国定,吴立言.机械设计（第八版）[M].北京：高等教育出版社,2013.
[2]孙恒,陈作模,葛文杰.机械原理（第八版）[M].北京：高等教育出版社,2013.
[3]李先允.自动控制系统[M].北京：高等教育出版社,2003.
作者简介：谢明升（1996-）,男,本科,主要研究方向：车辆工程.
小车论文参考资料：
结论：电控无碳小车的设计与为关于本文可作为小车方面的大学硕士与本科毕业论文小车论文开题报告范文和职称论文论文写作参考文献下载。
