吳志東，劉美奇，何雪冬，閆少康，莊福坤，陳艷偉

基于履帶車設(shè)計的大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)

吳志東1，2，劉美奇1，何雪冬1，閆少康1，莊福坤1，陳艷偉1

（1.齊齊哈爾大學(xué) 機電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2. 黑龍江省智能制造裝備產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

為提升大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計能力，以履帶車設(shè)計為例，探究機電系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計能力培養(yǎng)方法．根據(jù)機電系統(tǒng)組成要素，制定履帶車設(shè)計方案，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)學(xué)建模、仿真與測試驗證系統(tǒng)可行性．履帶車采用電機驅(qū)動，傳動機構(gòu)使用蝸輪蝸桿減速器，控制系統(tǒng)以80C51單片機為核心，并擴展驅(qū)動模塊和藍牙無線通信模塊，實現(xiàn)PWM調(diào)速和手機端無線控制功能．測試結(jié)果顯示，履帶車最大負(fù)載300 kg，調(diào)速穩(wěn)定，行駛速度可達0.6 m/s．實踐表明，學(xué)生可以通過實踐項目掌握理論知識和提升專業(yè)技能．

機電系統(tǒng)；履帶車設(shè)計；創(chuàng)新能力；項目實踐

學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)經(jīng)常受到學(xué)生知識水平、實驗條件、實踐環(huán)境等因素的限制，導(dǎo)致學(xué)生未能系統(tǒng)地掌握創(chuàng)新設(shè)計方法[1-2]．將專業(yè)理論知識與實踐指導(dǎo)相結(jié)合，以工程案例或項目為依托，對學(xué)生進行系統(tǒng)化指導(dǎo)更有助于學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的提升[3-4]．機電系統(tǒng)設(shè)計作為機械電子工程專業(yè)大學(xué)生必備能力，是從系統(tǒng)工程角度出發(fā)，融合多領(lǐng)域、多學(xué)科技術(shù)，培養(yǎng)具有系統(tǒng)分析和頂層設(shè)計能力的綜合型人才，符合目前自動化裝備、機器人等領(lǐng)域的需求[5-6]．履帶車作為典型的機電系統(tǒng)，其設(shè)計和制造涉及到

機械設(shè)計、自動化控制、電路設(shè)計等專業(yè)知識，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)和工程建設(shè)[7]．高地隙液壓履帶車可以用于高稈作物種植需求，采用單片機控制系統(tǒng)可以有效實現(xiàn)履帶車的自動化控制[8]．三角式履帶車具有較好的越障能力和穩(wěn)定性，并具有較大的承載力，適用于環(huán)境惡劣的路面[9]．結(jié)構(gòu)建模、動力分析對履帶車的性能影響較大[10]．履帶車爬坡速度較慢，電機驅(qū)動狀態(tài)下，實時調(diào)速則是保證履帶車穩(wěn)定運行的重要條件[11]．本文以三角履帶車設(shè)計為項目案例，融合結(jié)構(gòu)設(shè)計、建模分析和自動控制等理論知識，充分利用“黑龍江智能機床研究院”和“智能制造裝備產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心”的平臺優(yōu)勢，綜合鍛煉學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計能力，探究機電系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計能力培養(yǎng)方法，有助于高等學(xué)校培養(yǎng)創(chuàng)新人才．

1　方案設(shè)計

根據(jù)機電系統(tǒng)組成要素為控制器、傳感器、動力源、執(zhí)行部件和機械本體，履帶車設(shè)計方案由超聲波避障傳感器、控制單元、直流電機、減速器、履帶、車體組成（見圖1）．鋰電池組進行供電，通過電源轉(zhuǎn)換模塊將48 V電源轉(zhuǎn)換至5 V為各電氣控制部分供電．

圖1 設(shè)計方案

1.1　主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

履帶車采用三角橡膠履帶輪行走機構(gòu)，具有穩(wěn)定性高、通過性好、接地比壓小、對地面破壞小[12-13]等優(yōu)點．履帶輪采用三角型履帶輪，負(fù)重可達300 kg（其中，車自重100 kg，負(fù)載200 kg）．履帶輪由驅(qū)動輪、固定支架、導(dǎo)向輪、張緊輪、履帶組成．為節(jié)省空間，直流電機臥式放置，采用帶有換向的傳動機構(gòu)，從而使輸出轉(zhuǎn)速降低，提升轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動履帶輪動作．主體結(jié)構(gòu)見圖2．

1.2 控制單元設(shè)計

控制單元主要由89C51單片機控制模塊和驅(qū)動模塊組成，89C51單片機控制模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理、指令接收與發(fā)送，外部擴展HC-05藍牙通信模塊，Tx（數(shù)據(jù)發(fā)送端）和Rx（數(shù)據(jù)接收端）分別于單片機RXD（串口接收端）和TXD（串口發(fā)送端）實現(xiàn)手機端遠(yuǎn)程控制功能；采用雙HC-SR04超聲波測距傳感器，Trig（控制端）和 Echo（接收端）分別與單片機INT0（中斷0）和INT1（中斷1）相連接，前后均可以實現(xiàn)測距避障．控制模塊與外圍電路接口見圖3．

圖2 主體結(jié)構(gòu)

圖3 電路接口示意圖

2 相關(guān)理論分析及仿真

2.1 模型建立及分析

為了保證履帶車具有足夠牽引力，需對履帶車牽引力進行計算與分析[14]．履帶車物理模型見圖4．

圖4 履帶車物理模型

即

2.2 電動機主要參數(shù)計算及選型

2.3 傳動比計算及傳動機構(gòu)選型

機械傳動示意圖見圖5．電機作為動力源，其輸出轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)矩低，需經(jīng)過機械傳動機構(gòu)，轉(zhuǎn)換為低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩，用以驅(qū)動負(fù)載．

圖5 機械傳動示意圖

2.4 PWM調(diào)速方法及仿真

履帶車電動機調(diào)速采用脈寬調(diào)制PWM（Pulse Width Modulation）技術(shù)，該技術(shù)具有高可靠性、易實現(xiàn)、低成本等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于直流電動機調(diào)速[16-17]．PWM其原理是利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將直流電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波脈沖，將其加在直流電動機的電樞上，通過對方波脈沖寬度的控制，改變作用在電樞端電壓平均值，從而達到調(diào)速的目的．

利用Proteus軟件建立直流電動機調(diào)速電路模型（見圖6），采用線性橋式放大電路作為電動機驅(qū)動電路，主要由Q1～Q4功率管組成；D1～D2為二極管，可以防止電動機快速變化時產(chǎn)生的自感電勢和反電勢擊穿晶體管．89C51單片機P0.0接口為PWM控制信號輸出端，用于控制電動機調(diào)速；P0.1接口為正、反控制信號輸出端，用于控制電動機轉(zhuǎn)動方向．

圖6 直流電動機調(diào)速模型

利用Proteus軟件中示波器模塊監(jiān)測PWM控制波形，模型仿真開始，按下K1鍵，脈沖寬度增大，電動機轉(zhuǎn)速升高；按下K2鍵的輸入，脈沖寬度減小，電動機轉(zhuǎn)速降低．PWM波形顯示見圖7．

圖7 PWM波形

3 測試及結(jié)果

對履帶車進行組裝與調(diào)試，實物見圖8．車體長1.2 m，寬1.0 m，高0.35 m．測試過程中履帶車負(fù)載可達300 kg，行駛速度可達0.6 m/s，并可順利駛過傾斜角為10°的斜坡．

手機控制端界面見圖9．在按下“左轉(zhuǎn)”按鈕時，“Tx”處顯示“2 B/s”，表明數(shù)據(jù)發(fā)送成功，主控單元HC-05藍牙通信模塊信號燈變亮，表明指令接收成功，履帶車按照指令左轉(zhuǎn)．履帶車按照指令手機端輸入指令運行，且行駛穩(wěn)定．

圖8　履帶車實物

圖9 手機端控制界面

4 結(jié)語

基于履帶車方案設(shè)計，通過理論分析、建模仿真以及裝置測試等環(huán)節(jié)的實踐，學(xué)生掌握了機電系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計方法，并完成實物測試，手機端通過藍牙無線控制履帶車行駛，調(diào)速穩(wěn)定，行駛速度可達0.6 m/s，履帶車最大負(fù)載為250 kg．通過“履帶車”項目的實踐成果，說明以項目驅(qū)動教學(xué)的方法可以有效培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計的能力．

[1] 張瑩瑩，馮鐸，李志豪，等．以“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃”為導(dǎo)向的物理專業(yè)實驗教學(xué)改革與實踐[J]．實驗室研究 與探索，2020，39（11）：180-182，237．

[2] 王瞡瑤，金炳堯．實驗室開放運行體系的建構(gòu)及實踐[J]．實驗室研究與探索，2015，34（8）：147-150．

[3] 楊軍，喬林珂，賈肖靜，等．大學(xué)生技術(shù)裝備研發(fā)能力培養(yǎng)探索與實踐[J]．實驗室研究與探索，2020，39（5）：132-135．

[4] 楊連生，王甲男，黃雪娜．體驗式學(xué)習(xí)對大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的影響研究[J]．現(xiàn)代教育管理，2020（12）：102-107．

[5] 胡紅生，曹堅，周斌斌．應(yīng)用型地方高校機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程群產(chǎn)教協(xié)同的課堂教學(xué)模式改革[J]．實驗室研究與 探索，2018，37（6）：212-217．

[6] 李衛(wèi)，張軍昌，黃玉祥，等．“機電一體化系統(tǒng)設(shè)計”實踐環(huán)節(jié)教學(xué)改革[J]．實驗技術(shù)與管理，2016，33（11）：216-218．

[7] 崔志超，管春松，陳永生，等．溫室用小型多功能電動履帶式作業(yè)平臺設(shè)計[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35（9）：48-57．

[8] 朱晨輝，李連豪，王萬章，等．高地隙液壓履帶車自動行走控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2018，49（增刊1）： 456-462，469．

[9] 劉澤旭，王立海，劉鐵男，等．多功能集材機三角履帶主參數(shù)確定[J]．森林工程，2014，30（1）：5．

[10] 張金錚，王琪，金琦淳，等．基于ADAMS的三角履帶機構(gòu)動力學(xué)仿真分析[J]．江蘇科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2019，33（2）：56-61．

[11] 劉澤旭，王立海，孫天用，等．輪式與三角履帶式集材機的爬坡性能比較[J]．林業(yè)科技開發(fā)，2014，28（6）：79-83．

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[13] 潘曉春，姚凱．履帶輪轉(zhuǎn)換技術(shù)設(shè)計研究[J]．機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2012，25（4）：33-35．

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[15] 王云飛．電控液驅(qū)重載AGV設(shè)計研究[D]．濟南：山東大學(xué)，2020．

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[17] 高蕾娜，喻洪平，劉飛，等．“電機控制技術(shù)與應(yīng)用”實驗教學(xué)實踐研究：以邏輯無環(huán)流直流調(diào)速系統(tǒng)為例[J]．教育 與教學(xué)研究，2017，31（2）：115-119．

Innovation ability training of college students based on the design of tracked vehicle

WU Zhidong1，2，LIU Meiqi1，HE Xuedong1，YAN Shaokang1，ZHUANG Fukun1，CHEN Yanwei1

（1. School of Mechanical and Electronic Engineering，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China；2. Collaborative Innovation Center of Intelligent Manufacturing Equipment Industrialization of Heilongjiang Province，Qiqihar 161006，China）

In order to improve the innovative design ability of college students，taking the design of tracked vehicle as an example，the cultivation method of electromechanical system innovation design ability was explored．According to the components of the electromechanical system，the design scheme of the tracked vehicle was formulated，and through structural design，mathematical modeling，simulation and testing，the feasibility of the system has been verified．The tracked vehicle was driven by motors，the worm gear reducer was used in transmission mechanism，the control system was based on 80C51 microcontroller，the driver module and bluetooth wireless communication module were applied to realize PWM speed regulation and wireless control function of mobile phone，to achieve functions of PWM speed regulation and mobile wireless control．The test results showed that the maximum load of the tracked vehicle was 250 kg，the speed was stable，and the driving speed can reach 0.6 m/s．Practice showed that students can master theoretical knowledge and improve professional skills through practical projects．

electromechanical system；design of tracked vehicle；innovation ability；project practice

1007-9831（2022）04-0088-05

TH213.7∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.04.018

2021-10-21

黑龍江省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度重點課題（GJB1320388）；2020年齊齊哈爾大學(xué)教育科學(xué)研究項目（GJZRYB202006）；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（202110232233）；黑龍江省教育廳省屬高等學(xué)校基本科研業(yè)務(wù)費科研項目（135509411，135409102）

吳志東（1985-），男，黑龍江齊齊哈爾人，講師，博士，從事環(huán)境智能調(diào)控、自動化系統(tǒng)研究．E-mail：wzd139446@163.co