基于“S”型重力小车的设计与调试
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摘 要：根据第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛命题要求，设计一种通过重力势能转化为动能的无碳小车，辅以转向机构、可调机构使小车实现“S”型轨迹且不等桩距的绕桩功能。为使小车的运行最佳化，在理论设计的基础上，采用控制变量的方式，经过实际测验，解决小车轨迹问题，并在其中找到调试方法以及小车的轨迹规律。根据实验得出小车最佳调试数据，使小车轨迹达到最佳。
关键词：结构设计 轨迹调试 控制变量 数据测验
中图分类号：TH12 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）02（c）-0079-04
Abstract： According to the the 6th National Undergraduate Engineering Training Integration Ability Competition， a carbon-free car transformed into kinetic energy by gravity potential energy is designed， supplemented by a steering mechanism and an adjustable mechanism to make the car realize the "S"-type trajectory and the pile-pile function of the pile distance. In order to optimize the operation of the car， on the basis of the theoretical design， the control variables are used to solve the trolley trajectory problem through actual tests， and the debugging method and the trajectory law of the trolley are found in it. According to the experiment， the best debugging data of the car is obtained， so that the trolley track is optimized.
Key Words：Physical design; Track debugging; Control variable; Data testing
1 設计及调试背景
根据第六届全国大学生工程训练综合能力竞赛关于S形轨迹的命题要求，自主设计并完成制作了以重力势能驱动的具有方向控制功能的小车。竞赛要求小车在指定赛道上实现避障行驶，且障碍物的距离在一定范围内随机调整，以小车成功绕绕障数量和前行的距离来评定成绩。因此在制作小车各部件前，需要对小车进行合理的理论设计，借助MATLAB对其轨迹进行仿真计算，针对仿真出现的问题，对结构进行优化。在制作出小车实物后，需对小车进行运行调试，对结构进行进一步的改善。
2 结构设计
实现S形轨迹无碳小车有多种结构设计方案，基本原则是结构合理，调节简单，易于拆装，便于调节，精度高。在设计时，首先查阅了相关资料及之前比赛的小车发表的相关论文，进行各部件的三维设计。在制作并组装实物小车后，对小车进行运行调试，针对运行过程中出现的问题，不断修改并完善小车零件，最后得到结构合理的小车实物。无碳小车的主要结构有原动机构、传动机构、转向机构，微调机构。
2.1 原动机构
原动机构是将砝码的重力势能通过绳子传递转化为小车的动能。如图1 所示，这一部分采用了阶梯型的双联轮结构，降低了能量传递过程中的能耗损失，绕线绳一端连接双联轮，一端连接绕线轴，在重物下降的过程中，带动绕线轴的转动，实现了能量转换。绕线轴的直径大小能直接对驱动力矩的大小、小车的前行速度产生影响，由此在绕线轴上加工有锥型槽，如图2所示。
2.2 传动机构
由于小车的驱动力较小，因此传动部分采用了两级齿轮传动。如图3所示，传动机构的传动路线分为两条，路线一，砝码1下落将动力通过双联轮12传递给绕线轴2，绕线轴2通过齿轮5传递给齿轮4，齿轮4与后轮6同轴，实现后轮转动驱使小车前进;线路二，绕线轴2通过齿轮7传递给齿轮8带动曲柄做回转运动，曲柄带动连杆9驱使摇杆10带动前轮11实现转弯。
2.3 转向机构
转向机构是小车得以实现转向功能的关键部分，也是对小车实现周期性运动的保证。如图4所示，小车采用了空间曲柄连杆机构实现前轮转向，即通过曲柄旋转，带动连杆推动摇杆前后运动，从而使前轮实现左右周期性的转动。曲柄旋转一周，小车完成一个S形周期。
通过调整连杆和摇杆长度以及连杆和曲柄的连接孔位，使无碳小车一个周期的直线行驶距离近似达到2m。
2.4 可调机构
如图5所示，微分筒通过螺钉与连杆相连，实现杆长的微调，连杆长度控制小车的整体运行方向，根据小车的实际运行情况进行微调。如图5所示，曲柄加工有四个距中心不同距离的孔，调整孔距可控制小车的行驶周期，桩距越大，所需周期越短，峰值越大。 3 小车轨迹调试
3.1 发车位置对轨迹的影响
小车发车时，使小车的前轮处于最大拐角处，改变小车距离赛道中线的距离小车轨迹为近似于余弦函数：
y=Acos（ωt+Ф）
轨迹呈现围绕x轴及相当于x轴上下周期式震荡，如图7所示。
3.1.1 发车方式的确定
将小车垂直于发车线，通过发车板使小车保持与发车线垂直，前轮处于最大的摆角处，改变小车距离赛道中线距离，从而改变小车轨迹。
3.1.2 发车方案
将小车放置于赛道中线右侧时，小车前轮应置于左拐最大角度a看，如图9所示。理论上增加或减少小车与赛道中线距离，小车轨迹形状不会改变，但小车轨迹整体会向赛道左或右侧移动，如圖10所示。
3.1.3 实测阶段
通过改变小车中心距离中心线的距离，测得以下数据，每改变5mm的距离，数据记录如表1所示。
3.1.4 实验结果
由多次实验表明以及实际绕桩情况显示，当小车发车距离为455mm时，小车的轨迹所能绕过的桩数最多。
3.2 曲柄孔距改变小车轨迹变化
3.2.1 实验方法
对应不同桩距，发车距离确定后，改变小车转向机构中的曲柄相关连接孔的孔距，这就相当于改变曲柄的长度，从而改变小车的轨迹，如图11所示，曲柄长度越长，行驶周期和峰值越大，反之越小。
3.2.2 实验结果
实验数据如表2所示。根据实际的绕桩情况，当桩距为正极限或者负极限时，选择24.5mm的孔距;当桩距为中间桩距时，选择24mm的孔距。
3.3 摇杆长度改变小车轨迹变化
在不改变其他数据的情况下，摇杆长度的变化所反映到轨迹上是使其周期发生改变。小车轨迹为一个类似三角函数的曲线，改变摇杆长度会使轨迹的周期变长或缩短，也就近似于改变y=Acos（ωt+Ф）中的ω值。
3.3.1 实验方法
设计过程中通过增加或减少位于摇杆和杆端轴承连接处的垫片数量，用以改变摇杆长度，进而调整小车轨迹的周期长度。为验证摇杆调整机构的有效性，通过增加垫片数量，测量小车轨迹的周期长度以及峰值数据。
3.3.2 实验结果
所测数据如表3所示，随着垫片数量的增加，小车轨迹周期也随之增加，增加了撞桩的风险。而减少垫片会使轨迹峰值增加，进而增加了行驶距离同时减少了绕桩数量，如图12所示。结果表明，当垫片数为1时，小车绕桩数最多。
3.4 连杆长度改变小车轨迹变化
在不改变其他数据的情况下，连杆长度的变化所反映到车轨迹上的变化是使小车轨迹整体发生旋转。改变连杆的长度会使轨迹的整体方向在原有基础上向左偏或是向右偏。
3.4.1 实验方法
在设计时，通过在连杆处增加微调机构来改变连杆总长度，进而调节减小轨迹的整体偏移现象。为验证微调机构的有效性，通过改变微分筒数值，测量小车绕桩数以及记录轨迹是否发生整体偏移现象。所测数据如表4所示。
3.4.2 实验结果
由多次实验数据显示，减少连杆长度，小车发生整体左偏现象，并且随着读数的减小，小车左偏现象越发严重。增加连杆长度，小车轨迹整体右偏，如图13所示。当微分筒长度为2.91mm时，小车绕桩情况最佳，满足设计需求。
4 结语
综合以上分析，通过控制变量法改变曲柄孔距、摇杆长度以及连杆长度，经过实际测验，分析了小车轨迹产生改变的原因，解决了在行进过程中小车轨迹难以调整这一复杂问题。按笔者设计的无碳小车，获得了全国大学生工程训练综合能力竞赛湖北赛区第二名，全国决赛一等奖的好成绩。
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