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[摘 要]根据第五届无碳小车比赛（合肥赛）要求，其主要难点在于上坡、下坡、障碍墙。这就要求小车速度在全程行进中要有较为灵活的变化，同时对小车转弯要有良好的智能控制以避开障碍物。本文就在往届无碳小车基本知识基础上，如何实现小车速度的合理变化和智能避障、刹车以及小车平稳性进行了论述。
[关键词]速度、距离、智能避障、平稳性
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）16-0134-01
1、速度和距离的控制
首先我们讨论一下为了满足赛道的要求，速度所需要的具体变化。赛道可以分成如下部分：上坡段（从起点到坡顶）、下坡段（坡顶到坡底）、平路段（主要是障碍区），接下来就每段分别分析。在上坡前段，小车必须拥有足够大的加速度让小车到达上坡段的坡底时获得能让小车冲上坡顶的速度，这就需要比较大的驱动力矩；而在下坡时，必须让加速度降到最低以减少能量和距离的损失，同时尽可能地将速度增幅降到最低以防止在平路段速度过快导致避障失败，这就需要将驱动力矩降到最低；在平路段，车必须行驶的较为平稳以防止转弯时翻车或来不及转弯。
由于车体需要拆装，因此设计必须以结构简单为原则，另外小车所需传动比不大，所以这里采用一级齿轮传动比较合适，滑轮则采用定滑轮。这样小车的行驶距离和速度大小的分配主要取决于绕线轴和齿轮（传动比大小）之间的相互配合，而速度大小的变化则取决于绕线轴的直径变化（即驱动力矩的变化）。小车传动机构的输出力矩：○1T=Gd/2i（G/N：重锤的重量；d/m：绕线轴直径；i：总的传动比）和小车行驶距离○2S=2D i / 5d（D/m：车轮直径）。根据公式○1可知驱动力矩一定的情况下传动比越大则绕线轴直径就越大，为了让绕线轴强度足够大，传动比应稍大一些这里取5，m取1。接下来是绕线轴，由上述可知三段路所需输出力矩差值较大，即轴的直径相差较大。如果采用以往的圆台形的绕线轴，绕线很难准确地把握速度和距离，所以绕线轴采用图1所示的结构。AB段是小车上坡时的绕线部分，这里所需力矩最大，由公式○1可知绕线轴直径最大；BC段是下坡时的绕线部分，这里需满足绕线轴强度的情况下，尽可能的减小直径以减小输出力矩和不必要的绕线长度以增加小车行驶距离，避免能量不必要的浪费；EF为平路段。每一段的具体直径具体大小会因小车重量、结构和地面摩擦大小而不同，所以需根据不同的场地和小车实际调试得到。
确定每段轴的长度时，可先算出绕线轴绕一圈时小车前行的距离，再由实际各段跑道长度算出所需绕的圈数即可大致算出各段长度。具体公式如下：Li=SiB/（ΠD i）（Li/mm：每段的长度；B/mm：单根线的宽度；Si/mm：各段跑道长度）。在设计长度时需要注意绕线轴的各段长度不易过长且线要绕的尽可能紧密一点，这样可以使受力更加均匀，否则会产生对小车前行不起作用的轴向分力，导致驱动力减小。设计轴肩是为了防止线下滑，在轴肩部分需开一个小口以便于绕线能顺利绕上去。
当然如果过度区落差太大可能会造成重锤突然下落对小车速度会有一定影响，必要时可以采取去掉BD部分，并降低传动比的办法降低落差。
2、避障和刹车的智能控制
避障与刹车属于电控部分，这部分的智能控制由单片机程序决定。避障原理：小车最前端两侧安装有两个红外线传感器，为了不增加小车宽度的情况下检测到小车左前方和右前方的障碍物两感应器互成一定角度（角度大小由实地多次调试得到）。给传感器设置一个感应距离（这个距离必须适当，以便于小车有足够的时间进行调整，但过大也会让小车感应到很多非障碍物，从而无法准确的控制小车转弯避障），当某一边先感应到障碍物时说明这一侧前方有障碍物而另一侧没有，前轮就会在舵机控制下向相反的方向转过一定角度（这里转过的角度不易过大否则会有翻车的风险）来避开障碍物。刹车原理：由速度感应器感应到后轮轴（检测后轮轴在差速结构中不会受到转弯的影响，测得的数据会更准确）的转速，当超过一定值时将控制舵机转动，通过舵机转动时的压力轻轻点压后轮轴来实现刹车，这个主要用在下坡阶段。
3 平穩性
平稳性对于整个小车来说起到了一个基石的作用，平稳性低的小车在行进中很容易造成小车翻车。所谓平稳性好即小车的重心要低，特别对于第五届无碳小车比赛（合肥赛）来说，避障转弯过程对平稳性要求比较高。具体降低重心方法如下：采用几字形前叉，将底板高度降至20-30cm；重锤直接落到底板上，保证重锤高度最低，即整车高度在45cm左右；在不影响小车避障的情况下，增加小车的宽度和长度；重锤重心落在三轮支撑点所形成的三角形的形心上。
参考文献
[1] 王军，田同海.机械设计（第二版）【M】.北京：机械工业出版社，2015.
[2] 侯洪生，机械工程图学（第三版）【M】.北京：科学出版社，2012.
[3] 杜洋，爱上单片机【M】.北京：人民邮电出版社，2011.
[4] 杨巍，何晓玲.机械原理【M】.北京：机械工业出版社，2014.
[5] 王隆太，朱灯林，戴国洪.机械CAD/CAM技术【M】.北京：机械工业出版社，2010.
[关键词]速度、距离、智能避障、平稳性
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）16-0134-01
1、速度和距离的控制
首先我们讨论一下为了满足赛道的要求，速度所需要的具体变化。赛道可以分成如下部分：上坡段（从起点到坡顶）、下坡段（坡顶到坡底）、平路段（主要是障碍区），接下来就每段分别分析。在上坡前段，小车必须拥有足够大的加速度让小车到达上坡段的坡底时获得能让小车冲上坡顶的速度，这就需要比较大的驱动力矩；而在下坡时，必须让加速度降到最低以减少能量和距离的损失，同时尽可能地将速度增幅降到最低以防止在平路段速度过快导致避障失败，这就需要将驱动力矩降到最低；在平路段，车必须行驶的较为平稳以防止转弯时翻车或来不及转弯。
由于车体需要拆装，因此设计必须以结构简单为原则，另外小车所需传动比不大，所以这里采用一级齿轮传动比较合适，滑轮则采用定滑轮。这样小车的行驶距离和速度大小的分配主要取决于绕线轴和齿轮（传动比大小）之间的相互配合，而速度大小的变化则取决于绕线轴的直径变化（即驱动力矩的变化）。小车传动机构的输出力矩：○1T=Gd/2i（G/N：重锤的重量；d/m：绕线轴直径；i：总的传动比）和小车行驶距离○2S=2D i / 5d（D/m：车轮直径）。根据公式○1可知驱动力矩一定的情况下传动比越大则绕线轴直径就越大，为了让绕线轴强度足够大，传动比应稍大一些这里取5，m取1。接下来是绕线轴，由上述可知三段路所需输出力矩差值较大，即轴的直径相差较大。如果采用以往的圆台形的绕线轴，绕线很难准确地把握速度和距离，所以绕线轴采用图1所示的结构。AB段是小车上坡时的绕线部分，这里所需力矩最大，由公式○1可知绕线轴直径最大；BC段是下坡时的绕线部分，这里需满足绕线轴强度的情况下，尽可能的减小直径以减小输出力矩和不必要的绕线长度以增加小车行驶距离，避免能量不必要的浪费；EF为平路段。每一段的具体直径具体大小会因小车重量、结构和地面摩擦大小而不同，所以需根据不同的场地和小车实际调试得到。
确定每段轴的长度时，可先算出绕线轴绕一圈时小车前行的距离，再由实际各段跑道长度算出所需绕的圈数即可大致算出各段长度。具体公式如下：Li=SiB/（ΠD i）（Li/mm：每段的长度；B/mm：单根线的宽度；Si/mm：各段跑道长度）。在设计长度时需要注意绕线轴的各段长度不易过长且线要绕的尽可能紧密一点，这样可以使受力更加均匀，否则会产生对小车前行不起作用的轴向分力，导致驱动力减小。设计轴肩是为了防止线下滑，在轴肩部分需开一个小口以便于绕线能顺利绕上去。
当然如果过度区落差太大可能会造成重锤突然下落对小车速度会有一定影响，必要时可以采取去掉BD部分，并降低传动比的办法降低落差。
2、避障和刹车的智能控制
避障与刹车属于电控部分，这部分的智能控制由单片机程序决定。避障原理：小车最前端两侧安装有两个红外线传感器，为了不增加小车宽度的情况下检测到小车左前方和右前方的障碍物两感应器互成一定角度（角度大小由实地多次调试得到）。给传感器设置一个感应距离（这个距离必须适当，以便于小车有足够的时间进行调整，但过大也会让小车感应到很多非障碍物，从而无法准确的控制小车转弯避障），当某一边先感应到障碍物时说明这一侧前方有障碍物而另一侧没有，前轮就会在舵机控制下向相反的方向转过一定角度（这里转过的角度不易过大否则会有翻车的风险）来避开障碍物。刹车原理：由速度感应器感应到后轮轴（检测后轮轴在差速结构中不会受到转弯的影响，测得的数据会更准确）的转速，当超过一定值时将控制舵机转动，通过舵机转动时的压力轻轻点压后轮轴来实现刹车，这个主要用在下坡阶段。
3 平穩性
平稳性对于整个小车来说起到了一个基石的作用，平稳性低的小车在行进中很容易造成小车翻车。所谓平稳性好即小车的重心要低，特别对于第五届无碳小车比赛（合肥赛）来说，避障转弯过程对平稳性要求比较高。具体降低重心方法如下：采用几字形前叉，将底板高度降至20-30cm；重锤直接落到底板上，保证重锤高度最低，即整车高度在45cm左右；在不影响小车避障的情况下，增加小车的宽度和长度；重锤重心落在三轮支撑点所形成的三角形的形心上。
参考文献
[1] 王军，田同海.机械设计（第二版）【M】.北京：机械工业出版社，2015.
[2] 侯洪生，机械工程图学（第三版）【M】.北京：科学出版社，2012.
[3] 杜洋，爱上单片机【M】.北京：人民邮电出版社，2011.
[4] 杨巍，何晓玲.机械原理【M】.北京：机械工业出版社，2014.
[5] 王隆太，朱灯林，戴国洪.机械CAD/CAM技术【M】.北京：机械工业出版社，2010.