基于工程訓練的慣性避障小車設計*

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(廣東海洋大學 機械與動力工程學院，廣東 湛江 524088)

0 引言

本課題是基于2017年廣東省工科大學生實驗綜合技能競賽[1]而提出的，主題為“慣性避障小車的設計與制作”。即設計制作出一款慣性避障小車，能在規定的斜坡以自身勢能釋放獲得總動力，使其自身能行駛盡可能長的距離，同時能根據所設計的電路識別并避開路上所設計的障礙。與其他同類型小車相比，該車在結構上的設計更注重能量的轉換和利用率，在電路與程序上的設計更注重識障越障的靈敏度。

1 慣性避障小車總體設計方案

1.1 小車設計要求

1)小車總質量不超過1000 g且主體為三輪結構。

2)小車動能從其在斜坡上的重力勢能轉換獲得。

3)電控裝置的主電路采用帶單片機。電路板、檢測元器件、舵機及驅動電路自行選定。電控裝置所用電池自備，比賽時須安裝到車上并隨車行走，只能用于轉向避障。

4)競賽賽道為寬度2 m，長約40 m的長形賽道(圖1)，賽道邊緣設有高度為80 mm的擋板。賽道上距離出發線10 m處放置第一個障礙，其后間隔不等交錯設置多個障礙墻。出發時斜坡的斜度10°～20°，斜坡水平投影長度約900 mm。

圖1 場地示意圖

1.2 小車方案分析

為使小車能自主避障且滑行的距離更長，小車總體須擁有以下特點：

1)能識別前方擋板并自主避開。

2)自身的重力勢能要高。

3)所受的阻力盡可能小。

為此，小車的輪子分布為“一前二后、前小后大”，車體為兩塊較輕的側板，而設計的電控裝置固定在車體上方靠后。

2 慣性避障小車設計思路

圖2 慣性避障小車實物圖

基于分析總結，小車重心位置要恰當、滑行過程要平穩、能量損耗要低；電控元件的選擇要合適、編寫的程序運行要穩定。慣性避障小車實物，如圖2所示。為使小車在斜坡與地面交接處不前翻，且在轉彎過程平穩，其后輪和前輪間的中心距通過軟件運動學仿真與多次實車調試分析，設為12.6 mm較宜。總車能耗分內能耗和外能耗兩方面：內能耗主要由零件加工、裝配不當造成； 而外能耗主要是滾動摩擦造成。為此需保證零部件加工精度及裝配精度，減少后車輪與地板的接觸面積。最后，為使小車能敏銳地識障避障，電控裝置采用STM32單片機控板、紅外測距傳感器及小型舵機。

3 慣性避障小車關鍵部件設計

3.1 后輪結構設計

基于競賽命題要求，小車動能通過自身重力勢能轉化獲得，而小車在斜坡釋放高度一定。若要獲得較大勢能，則將小車大部分質量集中在后車輪以抬高該車質心。同時，車輪的轉動慣量與小車行走距離成正比，即增大車輪的轉動慣量可獲得較大的行走距離。車輪的轉動慣量計算[2]過程：不妨設后輪緣的重量為mg、外圓半徑為R0、內圓半徑為R1、平均半徑為R，由于輪輻及輪轂直徑轉動慣量相對于輪緣較小，故可忽略不計。則后輪的轉動慣量約為：

圖3 后輪結構

同時，考慮到實際加工誤差及材料缺陷導致左右后車輪質量不等，使小車質心偏離對稱線，導致其滑行過程中會偏向質量較輕一側。因此，將后輪質量集中在輪緣上，并在輪輻和輪轂之間增加相應配重塊，如圖3所示。最后，為減少滾動摩阻，便于轉向，將車輪與地板設計成線接觸形式。

3.2 側板設計

考慮到風阻影響，在保證小車質心位置最高及結構強度的前提下，車身結構采用鏤空處理的鋁合金側板，將其整體設計成流線型[3]，以減小風阻。而兩側板通過雙通尼龍柱固定連接，以保證小車整體強度，如圖4所示。

3.3 前輪結構設計

根據競賽要求，需回收小車前輪及前車軸。將其設計成易拆裝安裝結構。經分析得知，最佳方案是將前車架設計為叉架式，并通過螺栓預緊力將前車軸夾緊。而前輪與地板設計成線型接觸，減少摩擦，方便轉向。前輪結構見圖5。

圖4 側板形狀 圖5 前輪結構

3.4 電控設計

3.4.1 系統總體設計

慣性壁障小車系統的功能框圖如圖6所示。

圖6 系統功能框圖

該系統主要由電源模塊、核心控制板、舵機驅動模塊和舵機組成。電源模塊由7.4 V鋰電池供電，利用穩壓模塊將電壓降至5 V供給紅外測距傳感器和核心控制板使用，同時電源模塊也給舵機驅動模塊通電。紅外測距模塊[4]使用夏普的GP2Y0A21YK0F，檢測范圍為0～800 mm。舵機采用MG90S，其性價比高、扭矩大、反應靈敏。核心控制板采用具有32位處理器的STM32F103C8T6芯片[5]，該芯片內部含有2個獨立的ADC轉換通道[6]，能直接采集紅外測距傳感器數據，極大地簡化了電路的設計。

3.4.2 電路設計

根據競賽的要求，需要在現場進行焊接電路板，所以在滿足競賽要求的前提下，盡可能地使用模塊，讓電路焊接更加容易。

為適應車身大小，舵機驅動模塊選用5 V的穩壓模塊。同時，舵機驅動模塊和傳感器的供電由電源模塊并聯提供，能極大減少舵機回流對傳感器電壓的影響，提高傳感器的穩定性。電路原理圖如圖7所示(P9為電源排針，P10為開關，P1和P4分別為穩壓模塊的輸出端，P2和P3分別是穩壓模塊的輸入端，P6和P7分別為紅外傳感器的正負極，P5和P8分別為舵機的正負極)。

圖7 電路原理圖

3.4.3 避障的實現

避障的關鍵在于紅外測距傳感器所測數據的準確性以及數據處理的速度。紅外測距傳感器的輸出信號為電壓信號，導致控制芯片收集的數據出現較多噪聲和干擾。為減少該缺點，在程序里用二分法[7]查表計算距離以及中位置平均滑動濾波[8]，但過多的濾波次數會拖慢控制芯片的處理速度。因此濾波次數需能夠調整，使得控制芯片的計算能力與小車速度相適配，這既能提高數據的準確性又能顧及數據的處理速度。慣性避障小車的程序流程圖如圖8所示(圖中數值單位為cm，舵機轉動的角度要根據賽道的實際情況進行調整以適應現場比賽場地的地面情況)。

圖8 程序流程圖

4 討論

該小車動力源由自身重力勢能轉化而得，根據機械原理、機械設計及單片機的基本知識，對該車的關鍵部件、結構及電路進行了分析、設計及計算，并結合SolidWorks motion仿真及后期實測，該慣性避障小車，主體結構簡單，滑行距離長且平穩，低能耗。其電路設計及制作合理、程序執行穩定、識障避障靈敏度高，符合大賽要求。

基金項目：廣東海洋大學“創新強校工程”2013年省獎補資金支持建設項目——基于校企協同的工程訓練育人平臺建設(GDOU2013010306)；廣東海洋大學“創新強校工程”2016年省財政專項資金支持項目——金工實習教學團隊GDOU2016041003。