引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展,我國公眾對環(huán)境問題的重視程度日益提高,環(huán)境保護(hù)意識進(jìn)一步增強(qiáng)。越來越多的人開始提倡"無碳生活"。無碳小車是依據(jù)能量轉(zhuǎn)換定律設(shè)計的一種將重力勢能轉(zhuǎn)換為動能的驅(qū)動裝置。為了實現(xiàn)用重力勢能驅(qū)動小車前進(jìn)這一要求,小車中應(yīng)包含能量轉(zhuǎn)換裝置、小車驅(qū)動裝置等結(jié)構(gòu)設(shè)計。針對人們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常要使用的各種短距離移動設(shè)備,如家用移動吸塵器、玩具小車等,研究與開發(fā)使用無碳動力的載具便擁有了重要的意義和發(fā)展前景。

1基本原理

無碳小車是一種將給定重力勢能轉(zhuǎn)化為小車行進(jìn)所需動能的機(jī)械裝置,重力勢能通過一個給定質(zhì)量的鉛錘下落獲得,小車行進(jìn)過程中所需的能量全部由重力勢能提供。系統(tǒng)通過一根彈性小且耐磨性佳的繩子連接,一端繞在小車的驅(qū)動軸上,另一端掛在鉛錘頂部。繩子的支點為高于鉛錘高度的一個定滑輪,在掛有鉛錘的情況下帶力逆向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸將繩子纏繞在驅(qū)動軸上,同時提高鉛錘的高度,實現(xiàn)能量的儲存。

2機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1原動機(jī)構(gòu)

通過一個定滑輪,用一根細(xì)線將重物和驅(qū)動軸連接起來,當(dāng)重物下落時,重力勢能轉(zhuǎn)換為動能,驅(qū)動小車前進(jìn)。

2.2傳動機(jī)構(gòu)

傳動機(jī)構(gòu)由各個齒輪組合而成,主要用于控制能量轉(zhuǎn)化率和車速。在設(shè)計時應(yīng)保證傳動機(jī)構(gòu)的簡潔、可靠、高效。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)有差速轉(zhuǎn)向、電控轉(zhuǎn)向以及曲柄連桿轉(zhuǎn)向三種方式。行走機(jī)構(gòu)可分為雙輪同步、雙輪差速以及單輪驅(qū)動三種方式。微調(diào)機(jī)構(gòu)包含滑槽、微調(diào)螺母,可以對車輛進(jìn)行微調(diào),確保小車精確前行。

2.3轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)向由前方轉(zhuǎn)向輪控制,轉(zhuǎn)向輪固定在一根轉(zhuǎn)向軸上,該轉(zhuǎn)向軸與地面垂直,插入與地面平行的軸承中,其可以自由轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)向軸與舵機(jī)之間通過聯(lián)軸器相連接,通過舵機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向。

3控制系統(tǒng)

3.1控制系統(tǒng)原理

控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

3.2算法設(shè)計

如圖2所示,前方超聲波傳感器測得的距離記為FCsBs,這是判斷小車是否遇到障礙物的首要參考變量。左右傳感器測得的距離記為LCsBs和RCsBs,這兩個數(shù)值在大多數(shù)情況下是可以直接用來判別小車轉(zhuǎn)向方向的。當(dāng)然這樣會有很大的誤差,甚至在實際應(yīng)用中因為障礙物的不確定性導(dǎo)致避障失敗。因此要將這兩個值分解為小車與道路的距離Ls、Rs及沿小車行進(jìn)方向的一個距離值LFs、RFs。

圖2 算法示意圖

正常情況下,默認(rèn)小車沿道路中軸線運動,所以,測得的Ls應(yīng)等于Rs,這是小車行進(jìn)時應(yīng)有的狀態(tài),在后面小車遇障的時候也應(yīng)在置信道路內(nèi)保持此狀態(tài)。同理,在正常情況下,LFs與RFs也應(yīng)大致相等,這也是判斷小車是否遇障的一個重要指標(biāo),其可以幫助判斷前方傳感器是否進(jìn)入盲區(qū),提高避障的準(zhǔn)確性。

3.3避障方式

小車的越障方式為舵機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向,可通過改變單片機(jī)定時器的值從而改變相應(yīng)占空比的值,進(jìn)而調(diào)整舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。本次設(shè)計小車分別左、右旋轉(zhuǎn)角度為459。轉(zhuǎn)向后,通過傳感器探測角度變換判斷車頭是否完成轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向完成后舵機(jī)歸中保持沿此方向行進(jìn)。如圖3所示,當(dāng)小車右轉(zhuǎn)后,右方傳感器的檢測角度與道路垂直,這時只需判斷該距離是否為置信賽道的一半即可,置信道路的寬度為發(fā)生轉(zhuǎn)向前LS的值加小車寬度加RS的值。這樣不管障礙出現(xiàn)在左側(cè)還是右側(cè),亦或是兩側(cè)都有,小車都能很好地完成轉(zhuǎn)向。

圖3 避障方式圖

轉(zhuǎn)向完成后,發(fā)送信號使舵機(jī)回轉(zhuǎn)45o,使小車沿賽道中軸線行進(jìn),直到完全越過障礙后,小車回到無障礙模式,此時系統(tǒng)重新校正,控制舵機(jī)向離賽道遠(yuǎn)的一方轉(zhuǎn)向,歸中前行,直到RS和LS的值相等且等于賽道寬度的一半。然后再反轉(zhuǎn)45o,歸中。此時小車回到正常的行進(jìn)軌道上,完成了避障。

4結(jié)語

相較于重力勢能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計,電控自主避障系統(tǒng)的研究具有更廣泛的應(yīng)用前景和實際意義。隨著"無碳"載具研究的不斷深入,其影響范圍越來越大,相信在不久的將來,"無碳"載具會真正地融入人們的生活,讓"無碳"出行惠及大眾。