基于加速度計的主動式外掛尾翼的設計與制作

這是一個學生的作品案例，體現了在一個工程項目當中創客基本技能、研究方法以及多學科融合在具體的項目中的應用，并呈現了一種從校園創客空間到家庭創客空間的理想的育人狀態。

前一段時間加載了空氣動力學輔助系統的蘭博基尼跑車，創造了最新的賽道記錄，于是我有一個想法，能不能在模型車上使用類似的3D打印結構，通過加速度計判斷車體的姿態，來實現速度的自動控制，提升轉彎效能和剎車效率。經歷了建模、測試、編程等環節，最終完成了這個項目。

● 問題的提出和設計的條件

出于經濟與實用性考慮，設計條件為：盡可能降低巡航風阻（可以節省油耗），盡可能獲得更多下壓力（使得汽車操控性提升），可以安全合法地在真車上使用，即使用加速度計進行控制（控制成本）。

根據條件，在機械方面，確定選擇了GOE 431翼型來制作尾翼，用舵機和鋼絲拉桿控制尾翼角度的方式，必要時，犧牲低風阻以提供下壓力，且能夠參與制動。尾翼的位置被移動到c柱，防止因杠桿原理導致前輪抓地不足。程序方面，由于沒有速度計和牽引力控制系統的介入，所以只能用開環的方式控制尾翼。這就要求通過測試來掌握尾翼角度在通常情境下與轉向加速度的關系。

● 測量模型汽車、舵機尺寸，確定尾翼尺寸

用solid works軟件對尾翼零件進行3D建模，并進行裝配，檢查是否工作正常。在這里，尾翼被設計得比較高，是要避免與遙控車的外殼固定柱發生干涉。這個高度并不能合法上路，對于正常汽車來說，尾翼不需要做得這么高。與建模同時進行的還有開發板和加速度計的固定座（如圖1）。

● 用3D打印機打印零件

經過建模后，用家用3D打印機打印，并用熱熔膠和螺絲等方式，固定在模型車上。

● 編寫記錄傳感器數據的程序

為了獲取數據，需要編寫程序記錄不同速度、不同尾翼傾角下轉向加速度和剎車加速度的范圍，通過擬合法，求出尾翼傾角與最大加速度的近似線性關系。

● 編寫尾翼控制程序并測試

通過保持一定冗余抓地力的方式，實現對尾翼的開環控制。隨后，啟動控制程序，再進行測試，對之前程序進行修正（如圖2）。

● 結論

實驗研究表明，加裝外部尾翼的模型車剎車時間減少了30%，效果非常明顯。這種設計可以較好地提升車身穩定性，并且有效地縮短了剎車距離。

指導教師點評

劉澈是小學、初中、高中一直在北京景山學校就讀的學生，他從小喜歡汽車模型，進入初中后單純的操作已經不能夠滿足他的需求，于是就開始自行設計和改造模型，在這個過程中，信息技術十幾年的學習功不可沒。他是景山學校創客社團電子創新社的創社社長，除了在學校的創客空間中上課之外，這個作品大部分都是在他的家庭創客空間中完成的，該作品榮獲2019年北京市師生電腦作品比賽創客項目的一等獎，表現出劉澈同學很強的個人能力和在工科、工程方向的培養潛質，期待正在高三的他，能夠取得更好的成績，考入理想的大學。