自控行走避障前輪轉向裝置的制作方法

本發明涉及無碳小車，特別涉及一種自控行走避障前輪轉向裝置。

背景技術：

設計并制作無碳小車已逐漸成為地區性乃至國家級的機械設計比賽。如圖1所示，無碳小車是以重力勢能驅動的具有方向控制功能的自行小車；小車為三輪結構，具有轉向控制機構，且該轉向控制機構具有可調節功能或者可快速更換結構，以適應設有不同間距障礙物的競賽場地；驅動小車行走及轉向的能量只能由給定的重力勢能轉換而來，不可使用其他的能量來源。給定重力勢能為鉛垂下降來獲得，落差400mm，鉛錘落下后須被小車承載并同小車一起運動，不允許從小車上掉落。

現有的無碳小車大部分采用凸輪、齒輪、曲柄搖桿作為小車驅動轉向機構，這些機構存在以下一些缺點：一是零部件加工精度要求高，加工困難。二是體積質量大，占用空間，安裝不便，使得整車尺寸變大。三是存在多處摩擦副，傳動鏈較長，行駛阻力大，導致能量損失較多，控制精度下降，使得小車轉向不靈敏。且傳統的機械轉向需要消耗重物下落的勢能，過重的轉向機構使得整車笨重，行進過程中的摩擦阻力大大增加，用來驅動小車行駛的能量利用率很低，直接限制了小車的最遠行駛距離，難以在比賽中取得很好的成績。且在不允許使用人工交互遙控、放有不同間距和位置障礙并進行掉頭的競賽場地，傳統的機械轉向并不能適應。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種結構簡單、加工容易、重量輕、智能避障和自我調節的自控行走避障前輪轉向裝置，其可解決目前無碳小車依靠重物下落的勢能通過機械傳動鏈驅動小車轉向而造成的能量損失、傳遞精度不高、轉向固定、行進過程中不能自動識別并執行轉向避開障礙的問題。

為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為：

一種自控行走避障前輪轉向裝置，包括電控系統和轉向傳動機構，所述電控系統包括設于車架底板前端中部的單片機、三個設于車架底板前端左右兩側的紅外對管傳感器以及兩個設于車架底板右側前后兩端的超聲波傳感器，所述紅外對管傳感器和超聲波傳感器均通過數據線與單片機連接；所述轉向傳動機構包括舵機、轉向軸、轉向叉、轉向前輪以及設于車架底板上的轉向支座，所述舵機支撐于轉向支座頂端并通過數據線與單片機連接，所述轉向軸豎直穿出轉向支座，轉向軸上端與舵機的輸出端連接，下端與轉向叉連接，所述轉向前輪通過固定芯軸裝設于所述轉向叉內；小車遇障時，紅外對管傳感器給單片機輸入障礙信號；小車直行時，超聲波傳感器給單片機輸入方向偏差信號；單片機通過信號處理控制舵機實現轉向、掉頭或微調校正。

作為上述技術方案的進一步改進：

優選的，所述轉向支座包括轉向上支座和轉向下支座，所述轉向下支座的外周設有螺孔與車架底板連接，轉向上支座上設有連接孔與舵機連接；轉向上支座和轉向下支座的中部均設有通孔穿設轉向軸，轉向軸下端與轉向下支座之間設有定位軸承并通過上下軸肩定位。

優選的，所述轉向軸的上端通過花鍵傳動副與舵機的輸出端連接，轉向軸下端通過螺紋副與轉向叉連接。

優選的，所述固定芯軸一端設有固定頭，另一端與轉向叉之間通過夾緊套固定連接。

優選的，所述轉向前輪通過雙軸承與固定芯軸之間轉動連接。

優選的，所述單片機通過信號處理控制舵機實現轉向或掉具體為：

若左右兩側靠前端的兩個紅外對管傳感器靠近障礙墻，并判斷到距離小于均目標距離時，同時給單片機輸入信號0，單片機判斷條件為真，給舵機發出轉向信號；當靠后的另一個紅外對管傳感器靠近賽道末端時，中間障礙墻消失，距離瞬間增大，給單片機輸入信號1，單片機判斷條件為真，給舵機發出掉頭信號。

優選的，所述單片機通過信號處理控制舵機實現微調校正具體為：

兩個超聲波傳感器將檢測到的障礙墻距離輸入給單片機，若單片機判斷出位于前端的超聲波傳感器檢測到的距離加上兩個超聲波傳感器水平位置的差值距離之和小于后端的超聲波傳感器檢測到的距離時，給舵機發出左轉信號；

若單片機判斷出前端的超聲波傳感器檢測到的距離加上兩個超聲波傳感器水平位置的差值距離之和大于后端的超聲波傳感器檢測到的距離時，給舵機發出右轉信號。

本發明還提供一種無碳小車，包括車架底板、驅動裝置以及轉向裝置，所述轉向裝置為上述的自控行走避障無碳小車轉向裝置，其中的單片機設于車架底板靠前端的中部，車架底板的左側靠單片機的位置前后并排設有兩個紅外對管傳感器，右側對應位置設有一個紅外對管傳感器和一個超聲波傳感器，車架底板的右側后端設有一個超聲波傳感器；其中的轉向傳動機構設于車架底板前端。

與現有技術相比，本發明的優點在于：

1.本發明的自控行走避障前輪轉向裝置，通過設置紅外對管傳感器、超聲波傳感器、單片機以及舵機，從舵機輸出到轉向前輪轉向，其響應速度快，轉向傳動精度高；能夠實現小車在特定時刻的任意角度轉向與方向校正，并快速準確地將轉向信號轉變為前輪的轉向動作；

2. 本發明的自控行走避障前輪轉向裝置，舵機和轉向軸通過轉向支座固定在車架底板上，可保證轉向裝置的穩定可靠性能；

3. 本發明的自控行走避障前輪轉向裝置，轉向前輪采用固定芯軸連接，由于沒有移動副，可大大降低摩擦能耗，提高能量傳遞效率；

4. 本發明的自控行走避障前輪轉向裝置，各部件的加工要求精度不高，傳動鏈簡短，零件數量少，能批量生產。具有結構簡單、加工容易、重量輕、智能避障和自我調節等優點。

附圖說明

圖1是無碳小車的簡易原理示意圖。

圖2是本發明自控行走避障前輪轉向裝置中的轉向傳動機構分解示意圖。

圖3是本發明自控行走避障前輪轉向裝置中的轉向傳動機構裝設于車架底板上的俯視結構示意圖。

圖4是本發明中電控系統控制原理圖。

圖5是本發明無碳小車的立體結構示意圖。

圖例說明：

1、舵機；2、轉向上支座；3、轉向下支座；4、轉向軸；5、雙軸承；6、固定芯軸；7、轉向前輪；8、夾緊套；9、轉向叉；10、定位軸承；11、單片機；12、第一紅外對管傳感器；13、第二紅外對管傳感器；14、后超聲波傳感器；15、第三紅外對管傳感器；16、前超聲波傳感器；17、定滑輪；18、重物；19、齒輪副；20、繩輪軸；21、后輪軸；22、后輪。

具體實施方式

為了便于理解本發明，下文將結合說明書附圖和較佳的實施例對本發明作更全面、細致地描述，但本發明的保護范圍并不限于以下具體的實施例。

如圖2-圖4所示，本發明的一種自控行走避障前輪轉向裝置實施例，包括電控系統和轉向傳動機構，電控系統包括設于車架底板前端中部的單片機11（型號為80C51）、三個設于車架底板前端左右兩側的紅外對管傳感器以及兩個設于車架底板右側前后兩端的超聲波傳感器，三個紅外對管傳感器和兩個超聲波傳感器均通過數據線與單片機11連接；三個紅外對管傳感器包括前后并排位于左側的第一紅外對管傳感器12、第二紅外對管傳感器13以及位于右側的第三紅外對管傳感器15；兩個超聲波傳感器與第三紅外對管傳感器15同側設置，包括位于前端的前超聲波傳感器16和位于后端的后超聲波傳感器14。其中，第一紅外對管傳感器12的信號線與單片機11的P0.1口相連并帶有上拉電阻R3，第二紅外對管傳感器13的信號線與單片機11的P3.2（或外部中斷1）口相連，第三紅外對管傳感器15的信號線與單片機11的P0.0口相連并帶有上拉電阻R2；前超聲波傳感器16的兩根信號線Trig、Echo分別與單片機11的P1.2、P1.3口相連，后超聲波傳感器14的兩根信號線Trig、Echo分別與單片機11的P1.0、P1.1口相連。轉向傳動機構包括舵機1、轉向軸4、轉向叉9、轉向前輪7以及設于車架底板上的轉向支座，舵機1支撐于轉向支座頂端并通過數據線與單片機11的P0.2口相連并帶有上拉電阻R4，轉向軸4豎直穿出轉向支座，轉向軸4上端與舵機1的輸出端連接，下端與轉向叉9連接，轉向前輪7通過固定芯軸6裝設于轉向叉9內；無碳小車遇障時，紅外對管傳感器給單片機11輸入障礙信號；無碳小車直行時，超聲波傳感器給單片機11輸入方向偏差信號；單片機11通過信號處理控制舵機1實現轉向、掉頭或微調校正。本發明通過設置紅外對管傳感器、超聲波傳感器、單片機以及舵機，轉向信號從舵機輸出到轉向前輪轉向，響應速度快，轉向傳動精度高，能快速準確地將轉向信號轉變為轉向前輪的轉向動作，實現小車在特定時刻任意角度轉向與方向校正。具有結構簡單、加工容易、重量輕、智能避障和自我調節等優點。

本實施例中，轉向支座包括轉向上支座2和轉向下支座3，轉向下支座3的外周設有螺孔用于與車架底板連接，轉向上支座2頂部設有連接孔用于與舵機1連接；轉向上支座2和轉向下支座3的中部均設有通孔用于穿設轉向軸4，轉向軸4下端與轉向下支座3之間設有定位軸承10并通過上下軸肩定位。轉向軸4的上端通過花鍵傳動副與舵機1的輸出端連接，轉向軸4下端通過螺紋副與U形轉向叉9的頂部連接。舵機和轉向軸通過轉向支座固定在車架底板上，可保證小車行進過程中轉向傳動機構的穩定性和轉向前輪行進方向的準確性。

本實施例中，固定芯軸6一端設有固定頭，另一端穿過U形轉向叉9的兩側邊并通過夾緊套8固定連接。轉向前輪7通過雙軸承5裝設于固定芯軸6上。轉向前輪采用固定芯軸連接，由于沒有移動副，可大大降低摩擦能耗，提高能量傳遞效率。

本實施例中，單片機通過信號處理控制舵機實現轉向、掉頭或微調校正的過程具體為：

當第一紅外對管傳感器12、第三紅外對管傳感器15靠近障礙墻，并判斷到距離小于均目標距離時，同時給單片機11輸入信號0，單片機11判斷條件為真，給舵機1發出轉向信號；或者當第二紅外對管傳感器13靠近賽道末端時，中間障礙墻消失，距離瞬間增大，給單片機11輸入信號1，單片機11判斷條件為真，給舵機1發出轉彎掉頭信號；

或者直線行駛時，后超聲波傳感器14和前超聲波傳感器16將檢測到的障礙墻距離輸入給單片機11：

單片機11判斷出前超聲波傳感器16檢測到的距離加上兩個超聲波傳感器水平位置的差值距離之和小于后超聲波傳感器14檢測到的距離時，給舵機1發出左轉信號；

單片機11判斷出前超聲波傳感器16檢測到的距離加上兩個超聲波傳感器水平位置的差值距離之和大于后超聲波傳感器14檢測到的距離時，給舵機1發出右轉信號。

舵機1接收單片機11輸入的轉向信號并執行轉向動作，舵機1的旋轉帶動轉向軸4、轉向叉9作相同幅度的轉動，轉向叉9通過固定芯軸6、雙軸承5將轉動傳遞至轉向前輪7，使其左右擺動，從而完成直線行駛時的方向校正、遇障時的避障和賽道末端的掉頭行駛動作。

如圖5所示，本發明的一種無碳小車實施例，包括車架底板、驅動裝置以及轉向裝置，驅動裝置包括繩輪軸20和后輪軸21，繩輪軸20和后輪軸21之間通過齒輪副19連接，后輪軸21上裝設有后輪22，重物18的線繩通過定滑輪17連接于繩輪軸20上。轉向裝置為上述本發明的自控行走避障無碳小車轉向裝置，其中的單片機11設于車架底板靠前端的中部，車架底板的左側靠單片機11的位置設有兩個紅外對管傳感器，右側對應位置設有一個紅外對管傳感器和一個超聲波傳感器，車架底板的右側后端設有一個超聲波傳感器；轉向支座固定于車架底板前端，轉向軸的下端穿出轉向支座和車架底板與轉向叉連接，上端通過花鍵與舵機的輸出端連接。

本發明無碳小車的工作原理：

旋轉后輪22將重物18上抬至400±2mm的高度，小車動力準備完成，將無碳小車放到起跑線前，使得小車轉向前輪7與起跑線齊平，調整小車位置，使初始行進方向與兩邊障礙墻盡可能保持平行，釋放小車，重物18開始下落，繩輪軸20隨之轉動，通過齒輪副19驅動后輪軸21轉動，從而帶動后輪22旋轉使得小車前行。

當第一紅外對管傳感器12、第三紅外對管傳感器15靠近障礙墻，并判斷到距離小于均目標距離時，同時給單片機11輸入信號0，單片機11判斷條件為真，給舵機1發出轉向信號；或者當第二紅外對管傳感器13靠近賽道末端時，中間障礙墻消失，距離瞬間增大，給單片機11輸入信號1，單片機11判斷條件為真，給舵機1發出轉彎掉頭信號。

或者直線行駛時，后超聲波傳感器14和前超聲波傳感器16將檢測到的障礙墻距離輸入給單片機11：

單片機11判斷出前超聲波傳感器16檢測到的距離加上兩個超聲波傳感器水平位置的差值距離之和小于后超聲波傳感器14檢測到的距離時，給舵機1發出左轉信號；

單片機11判斷出前超聲波傳感器16檢測到的距離加上兩個超聲波傳感器水平位置的差值距離之和大于后超聲波傳感器14檢測到的距離時，給舵機1發出右轉信號。

舵機1接收單片機11輸入的轉向信號并執行轉向動作，舵機1的旋轉帶動轉向軸4、轉向叉9作相同幅度的轉動，轉向叉9通過固定芯軸6、雙軸承5將轉動傳遞至轉向前輪7，使其左右擺動，從而完成直線行駛時的方向校正、遇障時的避障和賽道末端的掉頭行駛動作。