自适应可翻转探测车.docx

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自适应可翻转探测车

自适应可翻转探测车

　　首先搜集了大量的资料，对目前世界上的探测车研制情况有了一个大体的了解，然后结合自己的创意，列出了一系列的方案，经过认真的讨论和试验，最终确定了参赛方案。

在方案中，四面可翻转是一个灵魂，无论怎么将车设计成什么样子，这一个功能是不变的。

至于其它的如无线遥控，人工智能，太阳能供电，只是在此基础上的一个运用，大方向是不变的。

　　对于所确定的机构，传动是一个比较棘手的问题。

因为无论是链传动还是带传动都会涉及到动力传递时的效率和标准件的购买问题。

最后决定不用链传动和带传动，靠电机通过轴直接传动。

虽然这样的设计会增加电机的个数（每个轮子由一个电机带动），但它比用标准件的优点在于可以提高传动效率，减轻整车的重量，可靠性增强。

电机传动如图1所示：

图1电机传动方式1

　　这种传动方式由于加工误差等问题，电机轴和传动轴的同轴度问题无法解决，并且出现了在传动轴另一端出现圆锥摆动的情况。

于是又改为如下方案（见图2）：

图2电机传动方式2

　　虽然这解决了圆锥摆的问题，但是由于加工误差同轴度问题始终没有得到很好的解决。

而且在传动时，电机提供力拒的同时还会产生一个和力F近似相等的力，这个力将使传动轴的轴线作圆周运动，所以第一代车的传动效率是比较差的，以至于出现动力不足的问题。

因此，如果想电机直接传动，最好不要用以上两种传动方式。

对于传动轴，将其设计成一个减震连轴器。

其爆炸试图如图，主要工作原理是电机固定在电机盖板上，并和外套筒一起固定于车身上。

电机通过减震连轴器和轮子轴将动力传给轮子，外套筒起一个支撑作用。

在减震方面，将减震连轴器设计成中空状，装配时先将弹簧放入减震连轴器内，然后插入轮子轴，之后将销钉通过减震连轴器上的销钉槽插入轮子轴上的销钉孔内，，这样就实现了避震的功能。

图３第一代效果图

图4第一代实物图

　　对于中间的连接，考虑了很多的方案，最终决定采用角铝，这样既可以连接前后车体，还可以搭起一个放电路板、电源、开关的空间。

当主体部分完成之后，准备将太阳能电池也装到车上。

当时采用了不倒翁的原理，靠重块来实现太阳能电池的始终朝上。

但由于所加重块的质量至少相当于车原重的70％，它加重了车的负担，使车运动不够灵活，并且车的爬坡能力也大幅度的下降。

　　同时从图上可以看到轮子比较大且侧面是一个平面，这样就有可能在车子翻转的时候成十字架状立在地面上，在实地演示的时候也确实出现了这样的情况，但在五月份的预赛中没有能够将这个致命的缺陷修改过来。

由于灵魂部分非常突出，所以在五月份的华东区预选赛中成功出线。

当然也知道自己的作品非常粗糙，有很多的缺陷存在，于是在暑假对车进行了重大的改进。

需要重点改进的地方有：

支撑太阳能板的重块、旋转仓的配备、电机传动的效率、死角问题。

图5第二代旋转仓

　　在航天领域有这么一句话：

为了减轻一克而努力。

所以，靠重块来解决太阳能板始终朝上的问题是不可取的。

同时考虑到某些车载仪器也需始终朝上的因素，决定设计一个旋转仓。

这样既可以用其装载特殊仪器，并且可以将太阳能板也固定在旋转仓上，可谓一举两得。

当时旋转仓的设计的难度在于要设计一个简单可靠的独立闭环反馈系统。

也考虑了靠单片机来控制这个系统，但是安全系数比较低，一旦单片机系统出故障，则可能导致旋转仓所搭载仪器的损坏，严重时可使探测车彻底报废。

当时大体的思路是将旋转仓作为一个行星齿轮架，电机装在行星架上，电机的正反转则靠比较器给出的信号来确定，从而保证旋转仓始终朝上。

虽然有了思路，但是具体实施起来却是比较困难的事，这个比较器要有一定的灵敏度，但是不能太灵敏，因为车在行驶过程中车身会因为地面而每时每刻改变相对位置。

可以说是一个偶然，发现有一种开关不但具有常开和常闭两种状态，而且形状恰好能符合使用的要求。

于是设计除了一个完全独立于单片机系统的闭环反馈系统。

原理图如下：

图6电机正反转控制电路

　　它的基本工作原理：

由于用的是大减速比的直流减速电机，所以其自锁性很好，因此在平地行驶时，靠电机的自锁就能固定旋转仓的位置，一旦车身翻转，小摆锤碰到开关，电机工作带动旋转仓向反方向运动，从而保证其始终朝上。

由于条件限制，的电机不是很好，而且考虑到旋转仓内器件的布置，电机放置的位置也不是最佳，以上两点导致了电机经常性过载损坏的事故。

因此，如果有用电机的地方，除了特别明显的地方，一定要算好功率，如果市场上没有符合要求的，尽可能改方案。

　　对于电机的传动效率，从上面两种方案的分析不难发现问题的所在：

一是加工精度要求太高，一般无法达到；二是传递动力的时候，除了力矩还有附加力的存在；第三就是因为由于以上两种情况而导致的外套筒和减震连轴器间的摩擦增大，效率降低。

对策有：

　　1）换用输出功率更高的电机

　　2）改变结构，降低加工精度的要求

　　3）以力偶的方式传递动力

　　4）外套筒和减震连轴器之间加轴承

　　其结构如图7所示：

图7第二代电机传动图

　　在这个设计中，采用了带钢销的电机，电机带动连轴器时钢销以力偶的方式传递动力。

加工的时候连轴器上的孔比电机轴稍大，这样就成了一个万向连轴器。

虽然这个万向连轴器中的连轴器和电机轴的轴线只能成一个很小的角度，但是这对于补偿加工误差已经是绰绰有余了。

这也就大大降低了对加工精度要求。

经过试验的改进效果很明显，传动效率很高，非常平稳。

　　对于死角问题，一时无法将车改进为可以自动判断位置并保证在死角点能够自动翻转，并且由于轮子是买来的，一时无法改进轮子的形状，所以将车设计成前后两部分可以在一定角度范围内自由转动的结构，这样就大大降低了车的死角故障，并且这样减震连轴器在一定意义上也就可以省略掉，这对在短时间内完成改进是很有帮助的。

毕竟这次参赛所剩的时间不多了。

　　采用了这种十字结构的设计虽然有很多的优点，但是它仍然有一些缺点没有改进。

其中十字结构的设计中一个无法避免的缺点就是但车遇到小的坡度时会“迎难而上”，不会照原有的路线前进，这点很不利。

第二是车子转弯是靠左右两侧轮子的差速实现的，与坦克的转弯原理相同，所以摩擦较大，而设计的前后车体相对转动的结构在这里面不是很合理，在转弯时如果地面和轮子的摩擦系数较大的话一个轮子会离开地面。

死角故障仍然有可能发生，因为轮子侧面还是一个平面。

这些就有待于下一步的改进了。

　　以上主要是对机构设计以及改进过程的介绍，下面谈一下具体定零件和零件加工中的问题。

由于加工条件的限制，有很大一部分零件加工需要自己完成。

在定零件图的时候不但要考虑结构工艺性，并且要考虑现有设备条件，同时还要考虑材料的选用。

在整个制作过程中，体会很深的是对动手能力的要求比较高。

这辆车的所有加工中，自己动手的部分约占了七成。

只有大件才送到工艺实习场做，并且只是外轮廓加工到尺寸，零件上的孔基本都是自己动手打的。

精度要求不高的就直接上钻床，有要求的就去南高院一楼的实验室用数控钻铣床打。

最后车的装配也是一个比较复杂的过程，车的装配过程只有一种方法：

从中间往两边装。

装好后拆卸不但麻烦，而且会影响车的性能。

所以在装配的过程中每一步都很小心，装一步检查一步。

图8第二代实物图

图9二代安装图

　　对于车的电路控制部分：

图10第一代电路

图11第二代电路

　　为了使其能够实现其优越的功能，尤其是自适应，采用单片机控制，以实现以下功能：

　　1）四面翻转和每个面的前、后、左、右控制

　　为了使探测车可以四面翻转，并可进行驱动控制，采用单片机，利用四向开关来确定探测车的工作面，并通过遥控器来控制车子的驱动控制。

　　2）遥控和自动驾驶

　　采用观点开关来实现其自动驾驶，使之兼有遥控和自动驾驶功能，使这两者互补，发挥探测车的无穷潜力和魅力。

　　3）脉宽调速

　　为了适应不同路况，“先锋号”采用硬件脉宽调速，SCM（AT89S8252），TLC7226，TL494，非门和与门同L293D来实现脉宽调制。

从而使车子可以达到以七种速度运行，进一步加强其自适应能力。

　　4）过流保护

　　考虑到路面的复杂性，电机有可能会堵转，从而烧毁电机，因而采用电流反馈来实现电机的过流保护。

　　5）路面安全监测和语音报警

　　由于路面的复杂性，为了确保“先锋号”的安全，在加强对车子的机构改进的基础上，采用光电传感器，对路面进行监测，并通过语音报警，使探测车具有人的能动性，进一步加强“先锋号”的自适应能力。

　　自适应可翻转探测车发生翻转后，着地的面发生了变化，这时需要控制系统判断到底是哪个面着地，然后通过控制系统的控制功能，使不着地的轮子不转，使着地那一面的轮子按照特定方向旋转，保证探测车翻转后按原方向前进。

那控制系统靠什么来判断探测车是哪个面着地呢？

设计了控制开关来实现这一功能。

　　如图11所示，控制开关由构成特定形状的绝缘盒子

（1）、铜片

（2）、铜柱（3）和连接铜片的导线（4）组成。

图12四向控制开关

　　控制开关内型腔的形状是四个相对中心对称分布的近似“V”字形，近似“V”字形腔的两侧嵌有互不接触的铜片

（2），并分别从铜片

（2）引出导线（4），内放一个圆柱形的铜柱（3），铜柱（3）的直径大小以它的侧面刚好能被两侧铜片

（2）夹住而不掉下来为宜。

控制开关的四个近似“V”字形端分别与探测车的四个面对应，当控制开关中的铜柱（3）在重力的作用下落于某一端时，铜柱（3）必然跟与其相邻的两片铜片

（2）接触，使该端所连的电路接通，当探测车翻转到另一个面时，铜柱（3）就会将另一个面所对应端的电路接通。

将这接通信号输入给控制系统的单片机，控制系统就可以判断探测车到底是哪个面着地。

　　探测车在行驶中必然有震动，这使得铜柱很可能与跟它接触的铜片接触不良，这会不会影响探测车正常行驶呢？

答案是不会的。

探测车的四个工作面，对应着四种不同的电机工作状态，当单片机接收到某一个面的着地信号后，就会使与这个面对应的电机工作状态有效，在这期间，即使铜柱与跟它接触的铜片接触不良，甚至根本没接触，探测车仍然会保持原先的电机工作状态不变，直到单片机接收到另一个面的着地信号后，探测车才切换到新的电机工作状态。

所以，铜柱与铜片的接触不良，不会影响探测车的正常行驶。

　　对于能量提供：

　　探测车的供能装置要给电机供电，还要给控制系统供电，作为在外星球执行探测任务的探测车，必然要有自己的一套电力生成系统，而取之不尽的太阳能自然是最佳选择，因此需要太阳能电池将太阳能转换为电能。

除此之外，还需要一个储能装置将多余的太阳能储存下来，原因很简单：

假如没有储能装置，在白天日照强烈的时候，就会有很大一部分太阳能因没被探测车用完而浪费掉，而在日照不够的时候或没有日照的夜间，探测车则会因没有足够的能源提供而不能工作。

考虑到可实现性，拟选用市场上容易买到的充电电池实现储能供电功能。

　　1）充电电池选用

　　选用了锂电池作为探测车的电源，但锂电池也有不足之处，就是对过充电和过放电十分敏感，因此，需要对锂电池加一个保护电路模块。

　　所选锂电池的各项参数为：

　　电池中点电压：

3.6V

　　电池容量：

2200mAh

　　考虑到所选电机的额定电压为12V，所以要用到4节锂电池，产生总电压为：

3.6

4=14.4V，并通过DC-DC模块电源，将电压转换为5V为控制电路供电。

　　2）太阳能电池选用

　　太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，目前市场的主导产品是硅系太阳能电池，可分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池。

经过到南京华龙电子商城实地选购，选用了型号为NE10983-12的太阳能电池板，它的各项参数是：

　　单块太阳能电池板尺寸：

108

88㎜

　　标况下产生电压：

5.76V电流：

175mA

　　之所以选这种型号的电池，是因为它在能买到的太阳能电池板中，单位面积产生功率最大，同时单块面积也最大（要用到的太阳能电池板面积比较大，需要多块拼起来，所以希望太阳能电池板单块面积越大越好）。

　　由于选用的锂电池总电压为14.4V，故至少需要三块太阳能电池板串联起来才能提供足够的电压，为增大太阳能板的总功率，拟总共采用6块电池板，每三块串联组成一个电源，然后将两个电源并联起来。

经组合后，其参数为：

　　太阳能电池板总面积：

108

88

6=57024

　　标况下产生电压:

5.76

3=17.28V

　　标况下产生电流：

175

2=350mA

　　3）太阳能供电装置的设计

　　太阳能储能供电装置的电路原理图如图4.14所示，其中，二极管D1的作用是防止锂电池给太阳能电池组放电；可调电阻R1用于调节合适的充电电压；DC-DC模块电源U1将14.4V的电压转换为5V，为控制电路供电（DC-DC模块电源的型号为HZD03-12S05）。

由于锂电池对过充电和过放电十分敏感，所以锂电池充放电都先通过一个保护电路模块。

保护电路模块是购得的现成电路模块，它的具体功能是：

实现给锂电池恒流充电，满充时自动关断充电回路（满充电压为3.75V-3.8V），过流保护和过放电保护功能。

图13太阳能供电原理图