基于逆向加工规划路径的无碳小车

李明泽 付强 王晓东 王冬垚 张玉明

摘要：无碳小车根据第七届全国大学生工程训练大赛势能驱动车比赛要求进行设计，为了分析计算无碳小车在运行时的能量转换消耗，将自定义闭合路径设计规划的无碳小车作为研究对象，对所设计的无碳小车的结构及工作原理进行阐述，利用Matlab进行算法开发，对无碳小车预定轨迹进行模拟运行，避开障碍物，得出最优的凸轮形状以及无碳小车的部分结构数据。本项目设计能量转换，损耗能量分析等，对于能源利用率提高和新能源开发有着重要意义。

关键词：无碳小车;转向结构;凹槽调整结构;凸轮;Matlab模拟;UG solidwork建模

中图分类号：TH122 文献标志码：A

0 引言

根据中国大学生工程实践与创新能力大赛驱动车赛项势能车组比赛要求[1] ，无碳小车借助一定的势能，完成自主避障。近年来，对于无碳小车的研究众多，陈健等完成了势能驱动无碳小车的主体结构选择[2] ，韦愈群等完成了势能小车转向放大机构的设计与研究[3] ，王晶东等通过MATLAB进行模拟对无碳小车轨迹做出优化[4] 。随着赛事升级，势能小车轨迹变化越来越复杂，运行过程容易卡死。本文势能小车利用Matlab算法对于凸轮转向模块进行模拟，在底板上利用凹槽滑轨调节转向车插（前轮）的位置，优化凸轮形状，以适应不同轨迹的路径规划，实现势能小车不同轨迹的流畅运行。

1 工作原理分析

小车整体机构主要分为驱动部分和转向部分，驱动力来源于砝码的势能，当砝码下落，势能通过尼龙线将动力传递给动力轴，又经齿轮组传递动力给后轮驱动机构与转向机构，动力轴上的凸轮与横向拨杆实现转弯，凸轮等参数由MATLAB模拟得到。

2 无碳小车结构设计

2.1 总体设计

无碳小车主要包括四部分。能量部分来源于1000±10g的重物。传动部分为细绳以及齿轮组与齿轮轴。差速部分为后轮组，分别由主动轮与从动轮组成，以实现差速运动。转向部分为前轮组以及凸轮，并通过凹槽滑轨设计，实现前轮组前后移动，以及凸轮左右移动。可以通过算法进行凸轮轮廓形状模拟，通过凹槽滑轨设计，实现了凸轮轮廓的最优化，防止运行过程中被卡死。

2.2 行走机构设计

无碳小车采用三轮结构[5] 。具体设计为前轮为单轮，后轮分别由主动轮与从动轮组成。与相比四轮结构，三轮结构设计加工简单，无碳小车转弯半径小，转向更加灵活易于操作，减少复杂结构传动的能量损失，且三轮结构更具有稳定性。

由于无碳小车运行时，绝大多数路径为曲线，所以转弯时后内外轮必然产生速度差，需要解决其差速问题。工业生产常用差速器解决，由于差速器用在无碳小车上能量消耗大。于是本无碳小车采用后轮单轮驱动，一轮为主动轮输出动力，另外一轮为从动轮不输出动力，实现差速。以实现代替差速器，降低能量损耗。前轮为转向轮，与转向机构连接控制小无碳小车方向。

2.3 转向结构设计

无碳小车运行中需要完成复杂的曲线运动，其转向选用凸轮与横向拨杆来实现方向的控制。在能量方面，凸轮转动能量来源于前动力轴，所以凸轮安装在前动力轴上。由于凸轮与横向拨杆滑动摩擦能量损耗较大，在横向拨杆上加装小轴承使滑动摩擦变为滚动摩擦，减少能量损耗。

3 Matlab算法模拟

小车的凸轮轮廓需要结合无碳小车设计的具体参数，使用的方法为迭代法，通过前轮转角与路径曲率来逆向模拟凸轮轮廓。我们先将预设的平滑轨迹通过CREO画出，将其路径均匀分成个点（N数值不宜过大或过小），并输出其坐标值，将坐标值导入Matlab，通过算法进行模拟。

节点间距离确定后，便可开始轨迹的仿真，在此以后轴中心的轨迹仿真为例。设置无碳小车后轴中心的初始点为（-1.8m，0m），主動轮、从动轮和前轮的初始坐标也可以根据无碳小车结构参数求得。此时小车车身水平向下=90°，采用迭代进行轨迹求解的方法如下：

对上述步骤循环N次，即可求得凸轮旋转一圈，即无碳小车走出半个环S时的后轴中心轨迹。主动轮和从动轮的轨迹求解跟后轴中心类似，只需将l替换成ly或lz即可。对于前轮的行走轨迹，还应考虑前轮转角的影响，仿真时需在车身倾角后加上前轮转角θ后再进行轨迹求解。最终模拟出路径轨迹以及凸轮轮廓轨迹。

4 结语

随着全国大学生工程实践与创新能力大赛的进行，不断对无碳小车进行结构设计修改以及算法优化，使无碳小车运行更流畅，能量损耗更低。本无碳小车在设计方面结构紧凑简单，运行流畅，路径改变时小车更换凸轮后正常运行能力好，通过创新的凹槽调整结构可以使其能够运行良好，达到预期效果。充分激发了学生的动手创造能力，利用多种设计加工软件，增强设计制造创新能力，切身领悟到机械构造的奥妙与精髓。

参考文献：

[1]裴鑫智.开展大学生工程训练综合能力竞赛的意义——以无碳小车的改进和优化为例[J].山西科技，2015，30（5）：103-104，109.

[2]陈健， 骆政私， 胡思扬. 势能驱动无碳小车的设计[J]. 大学科普， 2011， 5（2）：4.

[3]韦愈群、张俊、苗同升. 一种基于转向放大机构势能小车的设计与研究[J]. 机械设计， 2020（8）：5.

[4]王晶东， 陈广俊， 汤翔，等. 基于MATLAB的无碳小车轨迹优化[J]. 机械工程师， 2018（6）：4.

[5]王鹏博， 蓝建， 张国超，等. 一种三轮无碳小车的车体结构设计[J]. 机械工程师， 2014（7）：2.

[6]付强，周详宇，张彩红.机械设计制造与自动化[M].天津：天津科学技术出版社，2018.6.

基金项目：2022年辽宁科技学院大学生创新创业训练计划项目-基于逆向加工规划路径的无碳小车，项目编号：D202110132025171628

作者简介：李明泽（2000.03-），男，汉族，辽宁葫芦岛人，本科在读。研究方向：机械设计制造及其自动化