劉伊銘　趙孟軒

摘 要：無碳小車是近幾年連續(xù)幾屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽的比賽主題。關于無碳小車的設計方案，前人已研究出大量可靠的理論，且仍在不斷的優(yōu)化和完善。但對于小車行駛軌跡的具體調(diào)試過程，卻缺少相應的文獻資料和指導方法。在本文中，筆者結(jié)合自身參加競賽的相關經(jīng)驗，針對“S形”無碳小車的軌跡調(diào)試，總結(jié)出了一套實踐效果較好的步驟和方法，以供參賽人員參考。

關鍵詞：“S形”軌跡;無碳小車;軌跡調(diào)試

“S形軌跡”無碳小車的運動傳遞過程為：重錘下落——細線通過定滑輪帶動塔輪（軸）轉(zhuǎn)動——塔輪（軸）帶動齒輪轉(zhuǎn)動——通過一系列嚙合使主動輪轉(zhuǎn)動。大齒輪轉(zhuǎn)動帶動曲柄轉(zhuǎn)動——曲柄推動連桿運動——連桿推動搖桿運動——搖桿與前插相連，前插與前輪相連，從而實現(xiàn) s 形軌跡運動。^[1]

小車的軌跡近似于一條余弦曲線（將第一個樁視為坐標原點）。雖然在設計過程中，我們已根據(jù)各個運動傳遞的關系和具體要求精確計算了其數(shù)值，但由于加工精度、裝配精度、機構(gòu)誤差等因素的影響（特別是曲柄連桿機構(gòu)），小車的軌跡往往不符合預期，這就要求我們對其進行精準細致的調(diào)試。

1塔輪結(jié)構(gòu)與繞線原則

我們知道，塔輪結(jié)構(gòu)是為了使小車在啟動階段獲得較大的驅(qū)動力矩，從而順利起步。但我們不能為了增大驅(qū)動力矩而一味的增大棉線在塔輪上的繞線圈數(shù)，因為驅(qū)動力矩過大，將使小車的啟動速度變大，速度過大將會影響小車的運動平穩(wěn)性，特別是在軌跡曲線的極值點處，過大的車速將帶來翻車的危險。另外，棉線用于繞線的長度是一定的（被砝碼高度所限制），當繞線半徑越大時，繞線軸轉(zhuǎn)動的圈數(shù)就越少。所以，若棉線繞在“塔輪”上的圈數(shù)多了，則會使其在繞在“繞線軸”上的圈數(shù)變少，這就會導致棉線長度利用率變低，從而繞線軸轉(zhuǎn)動的總?cè)?shù)變少，由于傳動比一定，故小車運行的總距離將變短。所以，我們的原則是以小車可以順利起步為目的，盡量減少棉線在塔輪上的繞線圈數(shù)，而不至于影響小車后面階段的平穩(wěn)性和運行總距離。

確定了棉線在塔輪上的最小繞線圈數(shù)后，我們還需要確定繞線的起始位置，即什么時間開始“上塔輪”。由于比賽要求“砝碼的可下降高度為400±2mm”，這就相當于限制了總的繞線長度，我們要做的就是：在每次繞線過程中，當砝碼達到指定高度，即繞線結(jié)束時，保證棉線都繞在塔輪上的一個固定位置處（或者可以理解為每次的繞線過程是完全一樣的），這個位置可以是我們上文中所提到的能使小車順利起步的一個位置，也可以是其他位置，這需要根據(jù)接下來的具體調(diào)試情況來確定。

2發(fā)車位置與軌跡調(diào)試

發(fā)車位置是影響小車運行效果的重要因素，也是整個調(diào)試過程中的主要環(huán)節(jié)，發(fā)車位置的確定與軌跡調(diào)試是相輔相成、同時進行的。

不論障礙物之間的間距如何調(diào)整，我們只要保證小車的軌跡始終從“按初始擺放位置擺放的兩障礙物的中點”上通過即可。已知軌跡近似于一條余弦曲線，故小車的理論發(fā)車位置應該在我們設計好的余弦曲線上，且前輪的行進方向與該曲線相切。規(guī)則中了解到“出發(fā)線距離第一個障礙物1000mm，發(fā)車位置自行決定，不越線即可”。為了調(diào)試的方便和保證小車每次的運行效果，我們建議參賽者選擇“賽道中軸線上距離出發(fā)線500mm處”作為發(fā)車位置。

小車的運行軌跡受多種因素的共同影響，故在調(diào)試過程中，必須遵循“單一變量原則”，即在確定某些影響因素的前提下，單一改變其中的某一個因素。下面以建議的發(fā)車位置為例，具體說明軌跡的調(diào)試過程。

2.1發(fā)車前輪角度的確定

首先，將小車放在發(fā)車位置附近，注意使前輪的行進方向與設計的余弦曲線相切，這里可以通過引入一個角度來確定。定義小車前輪行進方向所在直線與賽道中軸線之間所成的角度為前輪角度，記為。已知設計好的小車軌跡為一條余弦曲線，以第一個障礙物為原點，記函數(shù)為。則可以通過下面的公式得到：

將代入上式，即得到發(fā)車時的前輪角度。

理論計算是容易實現(xiàn)的，但實際確定這個角度卻存在困難，因為前輪角度的變化不太容易觀察和控制。建議可以借助其通過搖桿-連桿-曲柄相連的大齒輪，它的變化更容易被觀察，也更方便實現(xiàn)精準控制。

確定好發(fā)車時的前輪角度之后，接下來需要確定車身位置。

2.2發(fā)車車身位置的確定

理論上來講，對于車身關于前輪位置左右對稱的小車，在其行進過程中車身中軸線也應該始終與設計好的軌跡相切，但由于各種不確定因素的影響，肯定會存在一些偏差，故在確定發(fā)車位置時，也需要做出相應的調(diào)整。（注：對于不是這種車身結(jié)構(gòu)的小車，其行進過程中車身中軸線與設計軌跡也可以看作是相切的，只不過存在一個偏移量而已，方法類似。）

我們知道，平面上兩點確定一個物體的位置，對于小車來說，關鍵就在于使用哪兩個點定位更精準，更穩(wěn)定。具體的定位方法有很多，除了使用兩點定位法外還可以使用點線定位、線線定位等，這與小車的具體結(jié)構(gòu)有關。前面我們提到，發(fā)車位置的確定與軌跡調(diào)試是相輔相成的，這時就需要我們利用“單一變量原則”，結(jié)合第1節(jié)中的“繞線原則”，保證繞線位置、前輪發(fā)車角度、和車身的一個定位點不變，多次改變另一個定位點，觀察小車軌跡，當小車可以順利繞過前幾個障礙物時，我們就認為找到了一個相對理想的發(fā)車位置。

2.3曲柄-連桿-搖桿機構(gòu)的調(diào)節(jié)

曲柄-連桿-搖桿機構(gòu)對小車的軌跡影響最大，前面我們已經(jīng)找到了一個相對理想的發(fā)車位置，這時再開始調(diào)節(jié)連桿機構(gòu)，整個過程仍然遵循“單一變量原則”，期間可以靈活選擇變量，總結(jié)規(guī)律，多次試驗，最終實現(xiàn)理想的行駛軌跡。

3總結(jié)

對于“S形”無碳小車行駛軌跡的調(diào)試，離不開大量的試驗總結(jié)和經(jīng)驗積累，各參賽者可以參考筆者給出的步驟和方法，結(jié)合實際情況，進行改善和應用。

參考文獻：

[1]康小云.S型越障無碳小車設計[J].時代農(nóng)機，2017，44（7）：103.