浅谈“S形”无碳小车的轨迹调试
来源:用户上传
作者:
摘 要：无碳小车是近几年连续几届全国大学生工程训练综合能力竞赛的比赛主题。关于无碳小车的设计方案，前人已研究出大量可靠的理论，且仍在不断的优化和完善。但对于小车行驶轨迹的具体调试过程，却缺少相应的文献资料和指导方法。在本文中，笔者结合自身参加竞赛的相关经验，针对“S形”无碳小车的轨迹调试，总结出了一套实践效果较好的步骤和方法，以供参赛人员参考。
关键词：“S形”轨迹;无碳小车;轨迹调试
“S形轨迹”无碳小车的运动传递过程为：重锤下落——细线通过定滑轮带动塔轮（轴）转动——塔轮（轴）带动齿轮转动——通过一系列啮合使主动轮转动。大齿轮转动带动曲柄转动——曲柄推动连杆运动——连杆推动摇杆运动——摇杆与前插相连，前插与前轮相连，从而实现 s 形轨迹运动。[1]
小车的轨迹近似于一条余弦曲线（将第一个桩视为坐标原点）。虽然在设计过程中，我们已根据各个运动传递的关系和具体要求精确计算了其数值，但由于加工精度、装配精度、机构误差等因素的影响（特别是曲柄连杆机构），小车的轨迹往往不符合预期，这就要求我们对其进行精准细致的调试。
1塔轮结构与绕线原则
我们知道，塔轮结构是为了使小车在启动阶段获得较大的驱动力矩，从而顺利起步。但我们不能为了增大驱动力矩而一味的增大棉线在塔轮上的绕线圈数，因为驱动力矩过大，将使小车的启动速度变大，速度过大将会影响小车的运动平稳性，特别是在轨迹曲线的极值点处，过大的车速将带来翻车的危险。另外，棉线用于绕线的长度是一定的（被砝码高度所限制），当绕线半径越大时，绕线轴转动的圈数就越少。所以，若棉线绕在“塔轮”上的圈数多了，则会使其在绕在“绕线轴”上的圈数变少，这就会导致棉线长度利用率变低，从而绕线轴转动的总圈数变少，由于传动比一定，故小车运行的总距离将变短。所以，我们的原则是以小车可以顺利起步为目的，尽量减少棉线在塔轮上的绕线圈数，而不至于影响小车后面阶段的平稳性和运行总距离。
确定了棉线在塔轮上的最小绕线圈数后，我们还需要确定绕线的起始位置，即什么时间开始“上塔轮”。由于比赛要求“砝码的可下降高度为400±2mm”，这就相当于限制了总的绕线长度，我们要做的就是：在每次绕线过程中，当砝码达到指定高度，即绕线结束时，保证棉线都绕在塔轮上的一个固定位置处（或者可以理解为每次的绕线过程是完全一样的），这个位置可以是我们上文中所提到的能使小车顺利起步的一个位置，也可以是其他位置，这需要根据接下来的具体调试情况来确定。
2发车位置与轨迹调试
发车位置是影响小车运行效果的重要因素，也是整个调试过程中的主要环节，发车位置的确定与轨迹调试是相辅相成、同时进行的。
不论障碍物之间的间距如何调整，我们只要保证小车的轨迹始终从“按初始摆放位置摆放的两障碍物的中点”上通过即可。已知轨迹近似于一条余弦曲线，故小车的理论发车位置应该在我们设计好的余弦曲线上，且前轮的行进方向与该曲线相切。规则中了解到“出发线距离第一个障碍物1000mm，发车位置自行决定，不越线即可”。为了调试的方便和保证小车每次的运行效果，我们建议参赛者选择“赛道中轴线上距离出发线500mm处”作为发车位置。
小车的运行轨迹受多种因素的共同影响，故在调试过程中，必须遵循“单一变量原则”，即在确定某些影响因素的前提下，单一改变其中的某一个因素。下面以建议的发车位置为例，具体说明轨迹的调试过程。
2.1发车前轮角度的确定
首先，将小车放在发车位置附近，注意使前轮的行进方向与设计的余弦曲线相切，这里可以通过引入一个角度来确定。定义小车前轮行进方向所在直线与赛道中轴线之间所成的角度为前轮角度，记为。已知设计好的小车轨迹为一条余弦曲线，以第一个障碍物为原点，记函数为。则可以通过下面的公式得到：
将代入上式，即得到发车时的前轮角度。
理论计算是容易实现的，但实际确定这个角度却存在困难，因为前轮角度的变化不太容易观察和控制。建议可以借助其通过摇杆-连杆-曲柄相连的大齿轮，它的变化更容易被观察，也更方便实现精准控制。
确定好发车时的前轮角度之后，接下来需要确定车身位置。
2.2发车车身位置的确定
理论上来讲，对于车身关于前轮位置左右对称的小车，在其行进过程中车身中轴线也应该始终与设计好的轨迹相切，但由于各种不确定因素的影响，肯定会存在一些偏差，故在確定发车位置时，也需要做出相应的调整。（注：对于不是这种车身结构的小车，其行进过程中车身中轴线与设计轨迹也可以看作是相切的，只不过存在一个偏移量而已，方法类似。）
我们知道，平面上两点确定一个物体的位置，对于小车来说，关键就在于使用哪两个点定位更精准，更稳定。具体的定位方法有很多，除了使用两点定位法外还可以使用点线定位、线线定位等，这与小车的具体结构有关。前面我们提到，发车位置的确定与轨迹调试是相辅相成的，这时就需要我们利用“单一变量原则”，结合第1节中的“绕线原则”，保证绕线位置、前轮发车角度、和车身的一个定位点不变，多次改变另一个定位点，观察小车轨迹，当小车可以顺利绕过前几个障碍物时，我们就认为找到了一个相对理想的发车位置。
2.3曲柄-连杆-摇杆机构的调节
曲柄-连杆-摇杆机构对小车的轨迹影响最大，前面我们已经找到了一个相对理想的发车位置，这时再开始调节连杆机构，整个过程仍然遵循“单一变量原则”，期间可以灵活选择变量，总结规律，多次试验，最终实现理想的行驶轨迹。
3总结
对于“S形”无碳小车行驶轨迹的调试，离不开大量的试验总结和经验积累，各参赛者可以参考笔者给出的步骤和方法，结合实际情况，进行改善和应用。
参考文献：
[1]康小云.S型越障无碳小车设计[J].时代农机，2017，44（7）：103.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14991297.htm
