基于小車自身的重心改變保證過彎穩定性的研究

邱澤香 饒佳琪

摘要：保證小車快速過彎穩定的重心改變裝置是基于單片機的控制，針對小車過彎的速度不同，過彎的大小等因素進行不同程度的調整，使小車的重心向某一側偏移，達到過彎不減速的目的。例如可在小車內部兩邊分別加上兩個齒輪，利用發動機帶動齒輪轉動從而來調節小車兩邊的不同高度，改變小車重心，為小車提供過彎的向心力，以此來達到為小車提供過彎的足夠向心力。整個系統有和上述裝置功能相同的多套裝置，各個裝置之間互相協調配合，從而實現小車即使在急彎或者大彎的時候也可以不用降低速度來過彎。其目的是針對于現實生活中不僅是賽車比賽不用在過彎時降低速度，還可以利用這種裝置，就可以為車子轉彎提供更大的向心力，以此來保證車子就算不能夠在過彎時及時減速也能夠減少事故的發生。

0 引言

現有的轉彎裝置大多是通過車輪的減速和轉向使車子順利過彎，但是這種過彎方式往往會使車子減小到預定的速度，而且在快速時可能會加大對輪胎的損耗。本研究項目所提供的過彎裝置，其優勢在于：輕巧性不會為車子帶來太大的負載；而且這種裝置是利用車子本省的重力來為車子過彎提供向心力，所以不管是道路平整的柏油馬路還是坑洼不平的農村土路，這種裝置都可以很好的運用到每一個行駛在不同環境道路的不同車子身上。

1 方法原理

1.1初步方案構想

由于必須要保證小車最大速度不受影響，故不可在小車車身上施加重物，只能通過改變小車的內部結構或外觀物理結構改變其重心，針對上述問題，提出了以下三種解決方案。

1、通過降低一側車身高度

底層板四個角均固定有小型直流電機，電機與長螺桿相連，螺桿旋進固定在上層板的長螺帽（可完全旋轉進入）中，上層板上搭載有電源等其他模塊。在遇到轉彎的情況的時候，單片機會控制底層板上的電機向某一方向旋轉，由于電機和螺帽均是被固定的，因此長螺桿會越來越多的部分進入到長螺帽中去，此時靠近彎道一側的上層板會較低，即起到了降低重心保持穩定的作用。完成過彎后，進行反向旋轉直至復原。這里要闡明的是，長螺帽和長層板的固定是可活動的，可以承受一定角度，另一側板子低于本側。這種方法的不足之處在于，由于上層的重量是有限的，而且彎道側和背彎道側的板子之間的高度差不可過大，不適于過大的速度過彎。

2、通過改變內部結構

將電源封裝在一長方體容器內，容器大小選擇以恰好能放下電源為宜。在容器的一對面上固定好直流電機，即將電池和一對電機固定在一起。再將一長齒條固定在上層板上，齒條長度與上層板長度一致。在遇到轉彎情況的時候，單片機會控制一對電機向同一個方向旋轉，即彎道內側。由于齒條被固定不動，電機的轉動就會直接地帶動整個電池模塊，向彎道側轉動，使小車的重心內移，從而增加過彎穩定性。完成過彎后，進行反向旋轉直至復原。這種方法的不足之處在于，在小車遇到連續彎道的時候，電源長方體容器需要在車內來回移動，有可能影響穩定性。

3、通過直接降低車輪

將一根長齒條的末端與對應的輪胎電機的軸（靠近輪胎側）相連，輪胎電機的另一端則細金屬線和塑料扣的方式固定在下層板，之所以另一側（遠離輪胎側）采用懸掛電機的方式，是因為要保持輪胎側的軸進行一定幅度的上下波動。固定在上層板的電機可選用力矩較大的步進電機，將電機固定于上層板。在遇到轉彎的情況時，步進電機旋轉，帶動齒條旋轉，將靠近彎道一側的長齒條拉上一段距離，此時，靠近彎道一側的底盤距離地面較近，重心很大程度的向內側偏移，大大降低了小車向外側漂出的可能性。若采用此種方法，對步進電機需謹慎選擇。

1.2項目實際方案

通過雙層模式結構改變重心位置

此種方案為綜合考慮最優，可實施性最高的方案，在此方案中。將小車所需的各個重要零部件都加裝在小車的底層（第一層），另外在小車的上方再加裝一層活動層用于改變小車的整體重心。將兩臺步進電機固定在小車的底層，在固定電機的轉子上加裝能夠通過步進電機帶動的齒輪，同時在齒輪處安放可活動的齒輪，小車的第二層通過銅柱焊接在活動齒輪山。通過單片機控制兩個步進電機的不同轉向就可以通過齒條帶動第二層進行同一方向的一個平移，這樣就起到了改變小車整體重心的效果。此方案需要選取精準度高且力矩較大的步進電機，同時在控制的過程中必須保證時間和運動的準確性，才能通過此方案來改變小車的重心來增加過彎的穩定性。

2 小車自身重心改變裝置整體方案

2.1研究用四輪二驅地盤小車功能說明

1）驅動功能：小車底盤后輪裝載有2個強磁抗干擾碳刷TT馬達，可以為整個小車移動平臺提供一個恒定的驅動力。

2）轉向功能：本文小車搭載平臺通過一個MG995舵機將兩個前輪安裝在小車主板的前身，STC89C52RC單片機作為主控芯片通過對舵機的控制進而控制前輪的轉向，達到小車轉向的功能。

3）紅外尋跡功能：單片機通過路徑識別模塊對路徑信息進行采集。以實現小車尋跡的功能。系統選用RPR220型紅外反射式光電傳感器實現路徑識別功能。RPR220是一種一體化反射型光電探測器。其發射器是一個砷化鎵紅外發光二極管，接收器是一個高靈敏度硅平面光電三極管。

4）超聲避障功能：系統采用一個RBURF02定向式超聲測距傳感器將其安裝在小車車頭的前，可實時測得小車前方與障礙物之間的距離，從而實現避障。RB URF02具有較好的性能，其探測有效距離：lcm～500cm，探測分辨率0.5cm，探測誤差：±0.5%，靈敏度：大于1.8m外可以探測到直徑2cm物體，方向性偵測范圍：定向式（水平/垂直）65度圓錐。

2.2整體方案設計

1）本文控制系統的核心處理器選用國產STC89C52RC微處理器，此種微處理器具有操作簡單，價格便宜等優勢，此種微處理器能夠滿足本文所研究的內容。其最小系統如下圖1所示。

2）本文小車主要設計系統如下圖1所示：

3）由圖1，整個車身控制系統以STC89C52RC作為控制微處理器，在平整且不需要轉彎的路面上行駛時，小車通過紅外尋跡模塊將路面信息傳輸至微處理器，微處理器發送相關控制信號指令至驅動器，驅動器帶動左右驅動電機以此帶動左右驅動輪的旋轉，使小車向前行駛。當遇到轉彎路面或其他需要避開的障礙物的路面時，通過超聲波傳感器將信號發送中微處理器，微處理器通過控制帶動前后的齒條改變小車第二層的重心，一次來達到改變整個小車的重心位置，保證小車的過彎穩定性。

參考文獻

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[2]基于多超聲波傳感器避障機器人小車的設計[期刊論文全文] 蔡卓凡，CAI Zhuo-fan-《自動化技術與應用》-2014年5期