文档介绍：8字组无碳小车——经验之谈
比赛报告
时间:2014年6月——2014年12月
目录
摘要 3
目录 2
1 “8”字轨迹的实现 4
无碳小车整体结构 4
驱动系统建模分析 4
转向系统的建模分析 4
6
A轮行走轨迹 6
小车其他轮的轨迹 6
2 机械结构设计 7
转向机构。 7
8
8
9
9
微调机构 9
“V”字形微调机构(如图2) 10
10
11
传动及驱动机构 11
轴承座 12
底盘及支架 13
3 加工 13
4 装配 13
5 调试 14
6 竞赛 14
7 团队组建 15
8 小结 16
参考文献 16
附录 17
摘要
本项目设计一种重力势能驱动的自动避障小车,整个环节包括小车的轨迹优化,机械结构设计,机械加工,装配,调试和团队组建。无碳小车以“8”形轨迹绕桩循环运行,轨迹曲线的平滑度和形状直接决定了小车的稳定性和绕桩数量。通过建立数学模型,对无碳小车的运动过程进行分析,对模型中各参数进行不断地调整,最终获得了具体的分析结果和直观的轨迹函数图像,从而确定了影响小车运行轨迹的各参数最优值。为无碳小车的调试和优化奠定了基础。无碳小车行走及转向的能量全部由给定重力势能转换而来,小车绕桩数量越多,前进距离越长,性能越好。因此对无碳小车运动规律的研究对提高其性能具有重要意义。在各个环节中,积累了一些教训及经验,为使下届竞赛参赛的学弟学妹们少走弯路,特作该调查报告。本文是以“轨迹仿真设计,机械结构设计,加工,装配,调试,竞赛,团队组建”七个部分展开叙述的。
关键词: 无碳小车重力势能轨迹数学模型优化
1 “8”字轨迹的实现
无碳小车整体结构
为适应大赛赛题,无碳小车整体结构设计为三轮结构,前轮转向,后轮驱动,并且两后轮同为驱动轮,采用单向轴承食两后轮实现差速运动,相当于“分时复用”,从而提高运动平稳性。具体结构如图1所示。
图1 无碳小车整体结构示意图
驱动系统建模分析
小车行驶,当重物缓慢下落时,通过牵引线带动绕线轴转动,绕线轴与后轮轴通过齿轮传动,传动比为,则主动轮A前进的距离
转向系统的曲柄即在绕线轴上,,曲柄转过的角度
转向系统的建模分析
转向系统由空间RSSR机构组成,建模求解曲柄L1的输入角和摇杆L3的输出角之间的关系。建立空间直角坐标系,具体如图2所示。
图2 转向系统中空间RSSR机构示意图
铰接点坐标:,,,
设计时特别要求:,并且当曲柄L1绕OZ轴转动到YOZ平面内时,摇杆L3与OZ轴保持平行。
由几何原理得出
(1)
根据三角关系可得
(2)
(3)
将式(2)(3)代入式(1)得
设
则原式可写为
求解上式得
A轮行走轨迹
无碳小车前轮为转向轮,A轮为主动轮,B轮为从动轮。当重物下落时,主动轮转动驱动小车前进,同时前轮做周期性摆动。前轮转过的角度为时小车前进距离为,整体转过的角度
在地面坐标系中,小车转过的角度为时,有
小车其他轮的轨迹
以轮A为参考,在小车的运动坐标系中,轮B的坐标,C的坐标
在地面坐标系中,有
在程序中给各参数赋初始值,通过不断地对各参数进行调整,最终得出较为合理的轨迹函数图像,如图3所示。从函数图像中看出,曲线光滑、连续,没有较大的突变,此时的各参数值即为理论上的最优值,具体值为:齿轮传动比
为18/68,绕线轴半径为4,后轮半径R为150/2,曲柄L1为30.,,转向杆L3为39,为50,为50,。
图3 无碳小车运行轨迹函数图像
其中在找寻能模拟出8字轨迹的初始参数的过程还是比较困难的,当找到初始参数后,对参数进行调整使“8”字轨迹仅可能重合,并趋于平滑的曲线,从而找到最佳的轨迹参数。通过对程序的调试,也可发现模拟轨迹的重合度对参数的精度要求极高,轨迹的重合度越高则参数精度就越高。
2 机械结构设计
设计是决定后期成败的最关键因素。设计是基础,是方向,方向一旦选错,即便后来做的很好,也是无可挽回的,所以,一开始必须花大量的时间投入大量的精力去设计,去验证,不要急于赶进度,不要满足于现状,眼光要放远,在这里我主要讲一下无碳小车设计时的注意事项:
转向机构。
转向机构可以为凸轮转向机构和曲柄转向机构。曲柄转向机构又可分为曲柄连杆机构和曲柄滑