CN107890679B - 具有空挡滑行机构并可智能避障的无碳小车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有空挡滑行机构并可智能避障的无碳小车，包括：底板；动力机构，其包括支撑架、砝码、牵引线、绕线座；传动机构，其包括第一传动轴、第二传动轴、行走轴、绕线轴、一级传动大齿轮、一级传动小齿轮、二级传动大齿轮、一对行走后轮、二级传动小齿轮，所述一级传动大齿轮与一级传动小齿轮相互啮合，所述二级传动大齿轮与二级传动小齿轮相互啮合；空挡滑行机构，其包括编码器、换挡舵机、单片机、空挡盘；避障机构，其包括多个红外测距传感器、转向舵机。本发明的无碳小车具有在下坡时能够节省重力势能并在运行时能智能避障，保证小车匀速行进，运行平稳的优点。

Description

具有空挡滑行机构并可智能避障的无碳小车

技术领域

本发明涉及智能车辆技术领域。更具体地说，本发明涉及一种具有空挡滑行机构并可智能避障的无碳小车。

背景技术

随着科技发展，人们对无碳理念的提倡，无碳小车的设计越来越巧妙，制作也越来越精良。根据第五届全国工程训练综合能力竞赛要求,无碳小车是以重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车；小车为三轮结构，具有转向控制机构，驱动小车行走的能量只能由给定的重力势能转换而来，不可使用其他的能量来源。给定重力势能为4焦耳(取g＝10m/s²)，竞赛时统一用质量为1kg铅垂下降来获得，落差400mm，重块落下后须被小车承载的砝码($50*65mm，普通碳钢)同小车一起运动，不允许从小车上掉落。但是现有技术的无碳小车在智能避障、变速、充分利用能量功能技术应用上不够完善，需要进一步研发和提升。

现有的无碳小车大多把线绕在锥形绕线器比以达到小范围内变矩的目的，从而实现上下坡功能，这种方式相对较机械，人为误差较大，而且绕线位置的误差太大，容易出现小车抵达坡道后，绕线位置尚未改变，小车停在坡道处的现象，现有的小车在整个下坡过程中，重物都在下降，增加了能量的损耗。本发明通过四个红外测距传感器，结合单片机的算法，及转向舵机可实现智能躲避障碍物；通过变矩绕线轴可实现上坡时力矩增大平稳上坡；通过编码器、单片机、换挡舵机、空档盘、单向轴承组成了一套空档机构可实现下坡时，砝码不掉落，保存能量的功能。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种具有空挡滑行机构并可智能避障的无碳小车，具有能够智能躲避障碍、节省重力势能、使小车匀速行进等优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种具有空挡滑行机构并可智能避障的无碳小车，无碳小车为三轮小车，包括：底板；动力机构，其包括支撑架、砝码、牵引线、绕线座，所述支撑架固定于所述底板的中部，所述砝码通过牵引线连接并自由竖直位于支撑架内部，所述绕线座固定于所述支撑架的顶端；传动机构，其包括通过轴承座固定于所述底板后部的第一传动轴、第二传动轴、行走轴，所述第一传动轴上固定套设有绕线轴和一级传动大齿轮且绕线轴位于第一传动轴的中部，所述第二传动轴上分别固定套设有一级传动小齿轮和二级传动大齿轮，所述行走轴两端通过单向轴承连接有一对行走后轮且行走轴上还固定套设有二级传动小齿轮，所述一级传动大齿轮与一级传动小齿轮相互啮合，所述二级传动大齿轮与二级传动小齿轮相互啮合，所述牵引线一端固定在砝码上、另一端经过绕线座绕在绕线轴上；空挡滑行机构，其包括编码器、换挡舵机、单片机、空挡盘，所述编码器的轴上固定套设有编码器齿轮，其与所述二级传动小齿轮啮合，所述单片机与编码器和换挡舵机分别电连接，所述空挡盘固定套设在行走轴上，且所述空挡盘沿其周向均匀间隔固定有多个圆柱凸起，所述换挡舵机通过支架固定于底板上且设置为靠近所述空挡盘的凸起。

优选的是，所述支撑架包括多根支撑杆，其呈圆周状均匀分布在底板中部且构成的圆周直径略大于砝码直径。

优选的是，所述支撑架顶端固定有环形上环，所述绕线座包括一对滑轮和绕线杆，所述绕线杆水平固定在环形上环上，其一端朝向支撑架的中心、另一端位于绕线轴的正上方，一对滑轮分别固定于绕线杆的两端。

优选的是，所述绕线轴的中部为细轴，两端为粗轴，粗轴的直径大于细轴的直径，且粗轴紧挨细轴的环形面具有缺口。

优选的是，一级传动齿轮传动比为3：1，二级传动齿轮传动比为2：1。

优选的是，所述空挡盘上的圆柱凸起为10个。

优选的是，还包括避障机构，其位于所述底板的前部，所述避障机构包括多个红外测距传感器、转向舵机，多个红外测距传感器均匀分布于行走前轮的正前方的左右两侧，且分别与单片机电连接，所述转向舵机通过舵机支架固定于行走前轮的正上方，转向舵机轴与行走前轮的前轮轴连接，所述转向舵机还与单片机电连接。

优选的是，所述红外测距传感器为四个，行走前轮的正前方左右两侧分别设置两个，且分别偏离小车行走前轮中心线的角度为15°和60°。

本发明还提供了一种利用具有空挡滑行机构并可智能避障的无碳小车进行智能避障的方法，包括以下步骤：

建立数据模型：小车运行，随机放置障碍物，记录此时红外测距传感器的四个距离数据，红外测距传感器得到的一个距离数据范围对应一个权重，四个数据分别对应四个权重，四个权重分别为BL、BR、FR、FL，通过公式K＝(BL+BR+FR+FL)/2+10拟合出一个K值，一个K值对应一个转动角度，此作为一个标准数据模型，存储于单片机中；

数据模型建立完成后，小车运行时，四个红外测距传感器得到四个权重，自动拟合得到K值，与标准数据模型进行对比，一一对应得到一个转动角度，单片机控制转向舵机转动输出的转动角度。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明的无碳小车底板低，结构紧凑，布局合理，行走平稳。

2、本发明的无碳小车可通过砝码提供动力，实现自动上坡及平路行走，同时在下坡时通过空挡滑行机构实现由其自身的惯性下坡，不消耗砝码的重力势能，节约能源，同时可使小车保持匀速行进。

3、本发明的传动机构设计为二级传动比，单轴承座双孔定位轴，能量转换率较高。

4、本发明的避障机构可实现智能避障，且避障精准。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的整体结构立体图；

图2为本发明的传动机构和空挡滑行机构的结构示意图；

图3为本发明的整体结构俯视图；

图4为本发明的转向舵机与行走前轮的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1至4所示，本发明提供一种具有空挡滑行机构并可智能避障的无碳小车，无碳小车为三轮小车，包括：底板；动力机构1，其包括支撑架、砝码13、牵引线、绕线座，所述支撑架固定于所述底板的中部，所述砝码13通过牵引线连接并自由竖直位于支撑架内部，所述绕线座固定于所述支撑架的顶端；传动机构2，其包括通过轴承座固定于所述底板后部的第一传动轴3、第二传动轴4、行走轴5，所述第一传动轴3上固定套设有绕线轴10和一级传动大齿轮6且绕线轴10位于第一传动轴3的中部，所述第二传动轴4上分别固定套设有一级传动小齿轮7和二级传动大齿轮8，所述行走轴5两端通过单向轴承连接有一对行走后轮且行走轴5上还固定套设有二级传动小齿轮9，所述一级传动大齿轮 6与一级传动小齿轮7相互啮合，所述二级传动大齿轮8与二级传动小齿轮9相互啮合，所述牵引线一端固定在砝码13上、另一端经过绕线座绕在绕线轴10上；空挡滑行机构，其包括编码器15、换挡舵机11、单片机14、空挡盘12，所述编码器15的轴上固定套设有编码器15齿轮，其与所述二级传动小齿轮9啮合，所述单片机14与编码器15和换挡舵机11分别电连接，所述空挡盘12固定套设在行走轴5上，且所述空挡盘12沿其周向均匀间隔固定有多个圆柱凸起，所述换挡舵机11通过支架固定于底板上且设置为靠近所述空挡盘12的凸起。

在上述技术方案中，无碳小车为三轮小车，行走前轮为小轮，一对行走后轮是大轮，所述底板为镂空状，底板设置为镂空状，可减轻小车的整体重量。整个小车是通过动力机构1带动，由砝码13的重力势能转换为小车行走的动能，不需要额外消耗能源。动力机构1位于小车底板的中部，其运行过程如下：砝码13位于支撑架内部，且可在竖直方向自由上下移动，砝码13的上端通过牵引线固定连接，然后牵引线经过绕线座后，再绕于绕线轴10上，当砝码13下落时，可带动绕线轴10转动。传动机构2位于小车底板的后部，其运行过程如下：绕线轴10转动，带动其套设的第一传动轴3转动，第一传动轴3 上套设的一级传动大齿轮6转动，并带动与其啮合的一级传动小齿轮7转动，一级传动小齿轮7套设的第二传动轴4跟着转动，从而其上的二级传动大齿轮8转动，并带动与其啮合的二级传动小齿轮9转动，二级传动小齿轮9套设的行走轴5跟着转动，从而带动其两端的行走后轮运动，因此小车就可平稳前进。

当小车平路行走时，换挡舵机11不会发生什么变化，编码器15上的轴固定有编码器齿轮，其通过与行走轴5上的二级传动小齿轮9啮合，采集小车行进速度信息，反馈至单片机14，而单片机14获得小车行进速度数据后，通过程序对数字信号进行处理；当小车下坡时，此时小车速度突然增加超过设定最大速度，编码器15将速度信号反馈至单片机 14，单片机14检测到速度超过设定速度，输出PWM波至换挡舵机11，使换挡舵机11摆臂进行一定角度旋转，卡在空档盘的凸起之间，从而导致行走轴5无法转动，切断了动力传输，砝码13无法下落，起到了减速和保存能量的作用。提前计算并实验测得小车无动力状态下下坡至停止运动时间，对换挡舵机11转动角度进行延时处理，延时后，换挡舵机11旋转回正常角度，行走轴5解除锁定，动力传递到行走轴5上，小车继续向前行驶。本发明通过合理设置，实现当速度达到设定的限定值时，换挡舵机11朝向空挡盘12 的凸起转向30°。空档盘13上均匀分布多个圆柱凸起，并通过顶丝与行走轴5过盈配合，当换挡舵机11卡在空档盘12上时可使与行走后轮连接的行走轴5不转动，从而达到砝码 13无法下落，节约并保存能量的目的。行走后轮与行走轴5是通过单向轴承配合连接的，可实现当行走轴5不转动时，行走后轮继续保持向前转动行走。

为解决下坡时速度过快并且导致能量浪费造成小车行驶不远的问题，通过设置编码器 15模块来计算小车行驶的距离(里程)，也可以达到目的，通过多次试验测得坡道距离发车位置的大概值，当行驶里程大于设定值后，单片机14控制后置换挡舵机11旋转摆臂锁住行走轴5，进而在单向轴承的作用下受重力势能继续向前滑行，同时砝码13不下降，以保证节约能量的作用。当小车到达坡底时，换挡舵机11旋转回正常角度，行走轴5解除锁定，动力传递到行走轮上，小车继续向前行驶。

在另一种技术方案中，所述支撑架包括多根支撑杆，其呈圆周状均匀分布在底板中部且构成的圆周直径略大于砝码13直径。多根支撑杆竖直均匀分布呈圆周状，圆周直径略大于砝码13直径，使得砝码13可自由下落，但又不会脱离支撑架内部。

在另一种技术方案中，所述支撑架顶端固定有环形上环16，所述绕线座包括一对滑轮18和绕线杆17，所述绕线杆17水平固定在环形上环16上，其一端朝向支撑架的中心、另一端位于绕线轴10的正上方，一对滑轮18分别固定于绕线杆17的两端。牵引线一端连接砝码13，然后依次通过支撑架中心的滑轮18、绕线杆17、绕线轴10正上方的滑轮 18，另一端再缠绕于绕线轴10上，设置双滑轮18，方便砝码13拿取出，同时绕线更加稳固和方便二级换挡结构。

在另一种技术方案中，所述绕线轴10的中部为细轴，两端为粗轴，粗轴的直径大于细轴的直径，且粗轴紧挨细轴的环形面具有缺口。绕线轴10设置有粗轴和细轴，可通过小范围内变矩达到上坡和平路的行走改变，上坡时，牵引线绕在绕线轴10粗轴上，力矩大于平路力矩，小车平稳上坡，设计的时候考虑到还会有两次上坡，因此设置了两端的两个粗轴，粗轴紧挨细轴的环形面具有缺口，适应了细轴和粗轴绕线的变化。发车时，发车点距离障碍物长度为L，小车绕线轴10细轴直径为d，在细轴上所缠绕的圈数为n，L＝n πd，即可预先计算出上坡点，在该点牵引线绕粗轴。

在另一种技术方案中，一级传动齿轮传动比为3：1，二级传动齿轮传动比为2：1。一级传动大齿轮6和二级传动大齿轮8均为60齿，同时设置为二级传动，如此设置可使综合空间布局尽量小，是最佳的方案。

在另一种技术方案中，所述空挡盘12上的圆柱凸起为10个。圆柱凸起的设置个数根据实际情况来定，另外如果设置的少会导致换挡舵机11摆臂卡到凸起的时间变长，相当于切断动力的时间就慢了，不利于能源的节省，所以在空档盘上尽可能保证设置数量最多的圆柱凸起。

在另一种技术方案中，还包括避障机构，其位于所述底板的前部，所述避障机构包括多个红外测距传感器19、转向舵机20，多个红外测距传感器19均匀分布于行走前轮的正前方的左右两侧，且分别与单片机14电连接，所述转向舵机20通过舵机支架固定于行走前轮的正上方，转向舵机轴21与行走前轮的前轮轴22连接，所述转向舵机20还与单片机14电连接。红外测距传感器19监测到的障碍物距离反馈给单片机14，单片机14按照计算出的转动角度来控制转向舵机20转动，转向舵机轴21带动下方与其通过前轮轴22 连接的行走前轮转向，从而实现无碳小车的转向并躲避障碍。

在另一种技术方案中，所述红外测距传感器19为四个，行走前轮的正前方左右两侧分别设置两个，且分别偏离小车行走前轮中心线的角度为15°和60°。本发明采用夏普红外测距传感器，该型号红外测距传感器测距射程范围为10-80cm，最大允许角度为40°，所以采用四个红外测距传感器19，其中中间两个红外测距传感器19距离中心线为15°，侧面两个传感器距离中心线60°，最大范围有效覆盖了正前方范围。本发明还具有稳压板，用于给编码器、转向舵机、单片机、红外测距传感器、空挡舵机供电。

本发明还提供了一种利用具有空挡滑行机构并可智能避障的无碳小车进行智能避障的方法，包括以下步骤：

建立数据模型：小车运行，随机放置障碍物，记录此时红外测距传感器的四个距离数据，红外测距传感器得到的一个距离数据范围对应一个权重，四个数据分别对应四个权重，四个权重分别为BL、BR、FR、FL，通过公式K＝(BL+BR+FR+FL)/2+10拟合出一个K值，一个K值对应一个转动角度，此作为一个标准数据模型，存储于单片机中；

数据模型建立完成后，小车运行时，四个红外测距传感器得到四个权重，自动拟合得到K值，与标准数据模型进行对比，一一对应得到一个转动角度，单片机控制转向舵机转动输出的转动角度。

避障转弯时，小车前方安装四个红外测距传感器，小车采用4个红外距离传感器作为小车的“眼睛”。运用传统的条件判断语句会使得程序的运行效率非常低下，从而影响避障的效果。由单片机ADC模块实时读取采集到的AD值，并转换成对应的数字信号，通过程序对数字信号的处理，得到每个红外测距传感器的距离数据，之后根据单片机中存储的表格数据，对不同红外测距传感器的实时距离的一个区间分别赋以权重数值。左前方权重为FL，右前方为FR，左后方为BL，右后方为BR。最后拟合出K值，K＝ (FL+FR+BL+BR)/2+10。最后程序通过运算后的K值查找对应的数据模型中的转向角度，输出对应的PWM波至转向舵机，完成转向。得到K的公式，是为了有效的把四个变量的不同组合变成统一的量，也是为了提高单片机的计算效率。这种方式使得程序运行效率得到大幅提升，并且每次输出给舵机的只有一个值，并且考虑到几乎所有的红外测距传感器判定的情况组合，避免了转向舵机在避障时的大幅摇摆，增加了小车行进的稳定性。

单片机读取到红外测距传感器反馈的原始数据，将此原始数据设为value。第一步经分段函数(当value<30时，f(value)＝30；当value≥30时，f(value)＝[67870.0/(value-3.0)]-40.0) 处理后再除以10，第二步将除以10后的数据的值划分为六段区间，每一段区间的值对应一个权重，权重的数值也是根据大量实验拟合出来的，一般是距离远权重低，距离近权重高，四个权重分别为BL、BR、FR、FL，然后通过公式K＝(BL+BR+FR+FL)/2+10得出组合权重K值，最后通过查表法，找到对应K值对应的打舵量(即舵机转动角度)。K值与打舵量的关系为离散型数据，可拟合成一次函数，但为保证避障准确性，通过实验数据测得。

实施例

该型号红外测距传感器，其输入单片机的数据与正前方障碍物距离关系可拟合为反比例函数，将检测到的原始数据设为value，则经分段函数(当value<30时，f(value)＝30；当value≥30时，f(value)＝[67870.0/(value-3.0)]-40.0)处理后，在10-80cm时处理后的数据f(value)与障碍物距离呈正相关。

某次的实验数据处理过程：此时小车距离左侧障碍物较近，单片机获得最初始数据为左后143、左前114、右后30、右前35；首先经函数f(value)处理得到障碍物距离的参数：此时左后方距离参数为434，左前方距离参数为571，右后方距离参数为2473，右前方距离参数为1899；然后将距离参数除以十并强制化为整型数据则左后43，左前57，右后247，右前189；下一步查找对应传感器权重，得出BL＝-2，FL＝-4，BR＝0，FR＝0，通过公式计算出K＝(-2-4+0+0)/2+10＝7，即K＝7，找到舵机对应角度为105°。(舵机归中时角度为 90°，右转则角度大于90°，左转则角度小于90°。)

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种具有空挡滑行机构并可智能避障的无碳小车，无碳小车为三轮小车，其特征在于，包括：

底板；

动力机构，其包括支撑架、砝码、牵引线、绕线座，所述支撑架固定于所述底板的中部，所述砝码通过牵引线连接并自由竖直位于支撑架内部，所述绕线座固定于所述支撑架的顶端；

传动机构，其包括通过轴承座固定于所述底板后部的第一传动轴、第二传动轴、行走轴，所述第一传动轴上固定套设有绕线轴和一级传动大齿轮且绕线轴位于第一传动轴的中部，所述第二传动轴上分别固定套设有一级传动小齿轮和二级传动大齿轮，所述行走轴两端通过单向轴承连接有一对行走后轮且行走轴上还固定套设有二级传动小齿轮，所述一级传动大齿轮与一级传动小齿轮相互啮合，所述二级传动大齿轮与二级传动小齿轮相互啮合，所述牵引线一端固定在砝码上、另一端经过绕线座绕在绕线轴上；

空挡滑行机构，其包括编码器、换挡舵机、单片机、空挡盘，所述编码器的轴上固定套设有编码器齿轮，其与所述二级传动小齿轮啮合，所述单片机与编码器和换挡舵机分别电连接，所述空挡盘固定套设在行走轴上，且所述空挡盘沿其周向均匀间隔固定有多个圆柱凸起，所述换挡舵机通过支架固定于底板上且设置为靠近所述空挡盘的凸起；

还包括避障机构，其位于所述底板的前部，所述避障机构包括多个红外测距传感器、转向舵机，多个红外测距传感器均匀分布于行走前轮的正前方的左右两侧，且分别与单片机电连接，所述转向舵机通过舵机支架固定于行走前轮的正上方，转向舵机轴与行走前轮的前轮轴连接，所述转向舵机还与单片机电连接。

2.如权利要求1所述的具有空挡滑行机构并可智能避障的无碳小车，其特征在于，所述支撑架包括多根支撑杆，其呈圆周状均匀分布在底板中部且构成的圆周直径略大于砝码直径。

3.如权利要求2所述的具有空挡滑行机构并可智能避障的无碳小车，其特征在于，所述支撑架顶端固定有环形上环，所述绕线座包括一对滑轮和绕线杆，所述绕线杆水平固定在环形上环上，其一端朝向支撑架的中心、另一端位于绕线轴的正上方，一对滑轮分别固定于绕线杆的两端。

4.如权利要求1所述的具有空挡滑行机构并可智能避障的无碳小车，其特征在于，所述绕线轴的中部为细轴，两端为粗轴，粗轴的直径大于细轴的直径，且粗轴紧挨细轴的环形面具有缺口。

5.如权利要求1所述的具有空挡滑行机构并可智能避障的无碳小车，其特征在于，一级传动齿轮传动比为3：1，二级传动齿轮传动比为2：1。

6.如权利要求1所述的具有空挡滑行机构并可智能避障的无碳小车，其特征在于，所述空挡盘上的圆柱凸起为10个。

7.如权利要求1所述的具有空挡滑行机构并可智能避障的无碳小车，其特征在于，所述红外测距传感器为四个，行走前轮的正前方左右两侧分别设置两个，且分别偏离小车行走前轮中心线的角度为15°和60°。

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