本發(fā)明涉及無碳小車，特別涉及一種自控行走避障前輪轉(zhuǎn)向裝置。

背景技術(shù)：

設(shè)計(jì)并制作無碳小車已逐漸成為地區(qū)性乃至國(guó)家級(jí)的機(jī)械設(shè)計(jì)比賽。如圖1所示，無碳小車是以重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車；小車為三輪結(jié)構(gòu)，具有轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，且該轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)具有可調(diào)節(jié)功能或者可快速更換結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)設(shè)有不同間距障礙物的競(jìng)賽場(chǎng)地；驅(qū)動(dòng)小車行走及轉(zhuǎn)向的能量只能由給定的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換而來，不可使用其他的能量來源。給定重力勢(shì)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(yùn)動(dòng)，不允許從小車上掉落。

現(xiàn)有的無碳小車大部分采用凸輪、齒輪、曲柄搖桿作為小車驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，這些機(jī)構(gòu)存在以下一些缺點(diǎn)：一是零部件加工精度要求高，加工困難。二是體積質(zhì)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(dòng)鏈較長(zhǎng)，行駛阻力大，導(dǎo)致能量損失較多，控制精度下降，使得小車轉(zhuǎn)向不靈敏。且傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向需要消耗重物下落的勢(shì)能，過重的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使得整車笨重，行進(jìn)過程中的摩擦阻力大大增加，用來驅(qū)動(dòng)小車行駛的能量利用率很低，直接限制了小車的最遠(yuǎn)行駛距離，難以在比賽中取得很好的成績(jī)。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(jìn)行掉頭的競(jìng)賽場(chǎng)地，傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向并不能適應(yīng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、重量輕、智能避障和自我調(diào)節(jié)的自控行走避障前輪轉(zhuǎn)向裝置，其可解決目前無碳小車依靠重物下落的勢(shì)能通過機(jī)械傳動(dòng)鏈驅(qū)動(dòng)小車轉(zhuǎn)向而造成的能量損失、傳遞精度不高、轉(zhuǎn)向固定、行進(jìn)過程中不能自動(dòng)識(shí)別并執(zhí)行轉(zhuǎn)向避開障礙的問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

一種自控行走避障前輪轉(zhuǎn)向裝置，包括電控系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述電控系統(tǒng)包括設(shè)于車架底板前端中部的單片機(jī)、三個(gè)設(shè)于車架底板前端左右兩側(cè)的紅外對(duì)管傳感器以及兩個(gè)設(shè)于車架底板右側(cè)前后兩端的超聲波傳感器，所述紅外對(duì)管傳感器和超聲波傳感器均通過數(shù)據(jù)線與單片機(jī)連接；所述轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括舵機(jī)、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向叉、轉(zhuǎn)向前輪以及設(shè)于車架底板上的轉(zhuǎn)向支座，所述舵機(jī)支撐于轉(zhuǎn)向支座頂端并通過數(shù)據(jù)線與單片機(jī)連接，所述轉(zhuǎn)向軸豎直穿出轉(zhuǎn)向支座，轉(zhuǎn)向軸上端與舵機(jī)的輸出端連接，下端與轉(zhuǎn)向叉連接，所述轉(zhuǎn)向前輪通過固定芯軸裝設(shè)于所述轉(zhuǎn)向叉內(nèi)；小車遇障時(shí)，紅外對(duì)管傳感器給單片機(jī)輸入障礙信號(hào)；小車直行時(shí)，超聲波傳感器給單片機(jī)輸入方向偏差信號(hào)；單片機(jī)通過信號(hào)處理控制舵機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、掉頭或微調(diào)校正。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：

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

優(yōu)選的，所述轉(zhuǎn)向軸的上端通過花鍵傳動(dòng)副與舵機(jī)的輸出端連接，轉(zhuǎn)向軸下端通過螺紋副與轉(zhuǎn)向叉連接。

優(yōu)選的，所述固定芯軸一端設(shè)有固定頭，另一端與轉(zhuǎn)向叉之間通過夾緊套固定連接。

優(yōu)選的，所述轉(zhuǎn)向前輪通過雙軸承與固定芯軸之間轉(zhuǎn)動(dòng)連接。

優(yōu)選的，所述單片機(jī)通過信號(hào)處理控制舵機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向或掉具體為：

若左右兩側(cè)靠前端的兩個(gè)紅外對(duì)管傳感器靠近障礙墻，并判斷到距離小于均目標(biāo)距離時(shí)，同時(shí)給單片機(jī)輸入信號(hào)0，單片機(jī)判斷條件為真，給舵機(jī)發(fā)出轉(zhuǎn)向信號(hào)；當(dāng)靠后的另一個(gè)紅外對(duì)管傳感器靠近賽道末端時(shí)，中間障礙墻消失，距離瞬間增大，給單片機(jī)輸入信號(hào)1，單片機(jī)判斷條件為真，給舵機(jī)發(fā)出掉頭信號(hào)。

優(yōu)選的，所述單片機(jī)通過信號(hào)處理控制舵機(jī)實(shí)現(xiàn)微調(diào)校正具體為：

兩個(gè)超聲波傳感器將檢測(cè)到的障礙墻距離輸入給單片機(jī)，若單片機(jī)判斷出位于前端的超聲波傳感器檢測(cè)到的距離加上兩個(gè)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(cè)到的距離時(shí)，給舵機(jī)發(fā)出左轉(zhuǎn)信號(hào)；

若單片機(jī)判斷出前端的超聲波傳感器檢測(cè)到的距離加上兩個(gè)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(cè)到的距離時(shí)，給舵機(jī)發(fā)出右轉(zhuǎn)信號(hào)。

本發(fā)明還提供一種無碳小車，包括車架底板、驅(qū)動(dòng)裝置以及轉(zhuǎn)向裝置，所述轉(zhuǎn)向裝置為上述的自控行走避障無碳小車轉(zhuǎn)向裝置，其中的單片機(jī)設(shè)于車架底板靠前端的中部，車架底板的左側(cè)靠單片機(jī)的位置前后并排設(shè)有兩個(gè)紅外對(duì)管傳感器，右側(cè)對(duì)應(yīng)位置設(shè)有一個(gè)紅外對(duì)管傳感器和一個(gè)超聲波傳感器，車架底板的右側(cè)后端設(shè)有一個(gè)超聲波傳感器；其中的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)于車架底板前端。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1.本發(fā)明的自控行走避障前輪轉(zhuǎn)向裝置，通過設(shè)置紅外對(duì)管傳感器、超聲波傳感器、單片機(jī)以及舵機(jī)，從舵機(jī)輸出到轉(zhuǎn)向前輪轉(zhuǎn)向，其響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)精度高；能夠?qū)崿F(xiàn)小車在特定時(shí)刻的任意角度轉(zhuǎn)向與方向校正，并快速準(zhǔn)確地將轉(zhuǎn)向信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榍拜喌霓D(zhuǎn)向動(dòng)作；

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

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

4. 本發(fā)明的自控行走避障前輪轉(zhuǎn)向裝置，各部件的加工要求精度不高，傳動(dòng)鏈簡(jiǎn)短，零件數(shù)量少，能批量生產(chǎn)。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、重量輕、智能避障和自我調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是無碳小車的簡(jiǎn)易原理示意圖。

圖2是本發(fā)明自控行走避障前輪轉(zhuǎn)向裝置中的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分解示意圖。

圖3是本發(fā)明自控行走避障前輪轉(zhuǎn)向裝置中的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)裝設(shè)于車架底板上的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明中電控系統(tǒng)控制原理圖。

圖5是本發(fā)明無碳小車的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖例說明：

1、舵機(jī)；2、轉(zhuǎn)向上支座；3、轉(zhuǎn)向下支座；4、轉(zhuǎn)向軸；5、雙軸承；6、固定芯軸；7、轉(zhuǎn)向前輪；8、夾緊套；9、轉(zhuǎn)向叉；10、定位軸承；11、單片機(jī)；12、第一紅外對(duì)管傳感器；13、第二紅外對(duì)管傳感器；14、后超聲波傳感器；15、第三紅外對(duì)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(shí)施方式

為了便于理解本發(fā)明，下文將結(jié)合說明書附圖和較佳的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更全面、細(xì)致地描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于以下具體的實(shí)施例。

如圖2-圖4所示，本發(fā)明的一種自控行走避障前輪轉(zhuǎn)向裝置實(shí)施例，包括電控系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，電控系統(tǒng)包括設(shè)于車架底板前端中部的單片機(jī)11（型號(hào)為80C51）、三個(gè)設(shè)于車架底板前端左右兩側(cè)的紅外對(duì)管傳感器以及兩個(gè)設(shè)于車架底板右側(cè)前后兩端的超聲波傳感器，三個(gè)紅外對(duì)管傳感器和兩個(gè)超聲波傳感器均通過數(shù)據(jù)線與單片機(jī)11連接；三個(gè)紅外對(duì)管傳感器包括前后并排位于左側(cè)的第一紅外對(duì)管傳感器12、第二紅外對(duì)管傳感器13以及位于右側(cè)的第三紅外對(duì)管傳感器15；兩個(gè)超聲波傳感器與第三紅外對(duì)管傳感器15同側(cè)設(shè)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(duì)管傳感器12的信號(hào)線與單片機(jī)11的P0.1口相連并帶有上拉電阻R3，第二紅外對(duì)管傳感器13的信號(hào)線與單片機(jī)11的P3.2（或外部中斷1）口相連，第三紅外對(duì)管傳感器15的信號(hào)線與單片機(jī)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(hào)線Trig、Echo分別與單片機(jī)11的P1.2、P1.3口相連，后超聲波傳感器14的兩根信號(hào)線Trig、Echo分別與單片機(jī)11的P1.0、P1.1口相連。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括舵機(jī)1、轉(zhuǎn)向軸4、轉(zhuǎn)向叉9、轉(zhuǎn)向前輪7以及設(shè)于車架底板上的轉(zhuǎn)向支座，舵機(jī)1支撐于轉(zhuǎn)向支座頂端并通過數(shù)據(jù)線與單片機(jī)11的P0.2口相連并帶有上拉電阻R4，轉(zhuǎn)向軸4豎直穿出轉(zhuǎn)向支座，轉(zhuǎn)向軸4上端與舵機(jī)1的輸出端連接，下端與轉(zhuǎn)向叉9連接，轉(zhuǎn)向前輪7通過固定芯軸6裝設(shè)于轉(zhuǎn)向叉9內(nèi)；無碳小車遇障時(shí)，紅外對(duì)管傳感器給單片機(jī)11輸入障礙信號(hào)；無碳小車直行時(shí)，超聲波傳感器給單片機(jī)11輸入方向偏差信號(hào)；單片機(jī)11通過信號(hào)處理控制舵機(jī)1實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、掉頭或微調(diào)校正。本發(fā)明通過設(shè)置紅外對(duì)管傳感器、超聲波傳感器、單片機(jī)以及舵機(jī)，轉(zhuǎn)向信號(hào)從舵機(jī)輸出到轉(zhuǎn)向前輪轉(zhuǎn)向，響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)精度高，能快速準(zhǔn)確地將轉(zhuǎn)向信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)向前輪的轉(zhuǎn)向動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)小車在特定時(shí)刻任意角度轉(zhuǎn)向與方向校正。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、重量輕、智能避障和自我調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。

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

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

本實(shí)施例中，單片機(jī)通過信號(hào)處理控制舵機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、掉頭或微調(diào)校正的過程具體為：

當(dāng)?shù)谝患t外對(duì)管傳感器12、第三紅外對(duì)管傳感器15靠近障礙墻，并判斷到距離小于均目標(biāo)距離時(shí)，同時(shí)給單片機(jī)11輸入信號(hào)0，單片機(jī)11判斷條件為真，給舵機(jī)1發(fā)出轉(zhuǎn)向信號(hào)；或者當(dāng)?shù)诙t外對(duì)管傳感器13靠近賽道末端時(shí)，中間障礙墻消失，距離瞬間增大，給單片機(jī)11輸入信號(hào)1，單片機(jī)11判斷條件為真，給舵機(jī)1發(fā)出轉(zhuǎn)彎掉頭信號(hào)；

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

單片機(jī)11判斷出前超聲波傳感器16檢測(cè)到的距離加上兩個(gè)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(cè)到的距離時(shí)，給舵機(jī)1發(fā)出左轉(zhuǎn)信號(hào)；

單片機(jī)11判斷出前超聲波傳感器16檢測(cè)到的距離加上兩個(gè)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(cè)到的距離時(shí)，給舵機(jī)1發(fā)出右轉(zhuǎn)信號(hào)。

舵機(jī)1接收單片機(jī)11輸入的轉(zhuǎn)向信號(hào)并執(zhí)行轉(zhuǎn)向動(dòng)作，舵機(jī)1的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向軸4、轉(zhuǎn)向叉9作相同幅度的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向叉9通過固定芯軸6、雙軸承5將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞至轉(zhuǎn)向前輪7，使其左右擺動(dòng)，從而完成直線行駛時(shí)的方向校正、遇障時(shí)的避障和賽道末端的掉頭行駛動(dòng)作。

如圖5所示，本發(fā)明的一種無碳小車實(shí)施例，包括車架底板、驅(qū)動(dòng)裝置以及轉(zhuǎn)向裝置，驅(qū)動(dòng)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(shè)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(zhuǎn)向裝置為上述本發(fā)明的自控行走避障無碳小車轉(zhuǎn)向裝置，其中的單片機(jī)11設(shè)于車架底板靠前端的中部，車架底板的左側(cè)靠單片機(jī)11的位置設(shè)有兩個(gè)紅外對(duì)管傳感器，右側(cè)對(duì)應(yīng)位置設(shè)有一個(gè)紅外對(duì)管傳感器和一個(gè)超聲波傳感器，車架底板的右側(cè)后端設(shè)有一個(gè)超聲波傳感器；轉(zhuǎn)向支座固定于車架底板前端，轉(zhuǎn)向軸的下端穿出轉(zhuǎn)向支座和車架底板與轉(zhuǎn)向叉連接，上端通過花鍵與舵機(jī)的輸出端連接。

本發(fā)明無碳小車的工作原理：

旋轉(zhuǎn)后輪22將重物18上抬至400±2mm的高度，小車動(dòng)力準(zhǔn)備完成，將無碳小車放到起跑線前，使得小車轉(zhuǎn)向前輪7與起跑線齊平，調(diào)整小車位置，使初始行進(jìn)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(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪副19驅(qū)動(dòng)后輪軸21轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)后輪22旋轉(zhuǎn)使得小車前行。

當(dāng)?shù)谝患t外對(duì)管傳感器12、第三紅外對(duì)管傳感器15靠近障礙墻，并判斷到距離小于均目標(biāo)距離時(shí)，同時(shí)給單片機(jī)11輸入信號(hào)0，單片機(jī)11判斷條件為真，給舵機(jī)1發(fā)出轉(zhuǎn)向信號(hào)；或者當(dāng)?shù)诙t外對(duì)管傳感器13靠近賽道末端時(shí)，中間障礙墻消失，距離瞬間增大，給單片機(jī)11輸入信號(hào)1，單片機(jī)11判斷條件為真，給舵機(jī)1發(fā)出轉(zhuǎn)彎掉頭信號(hào)。

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

單片機(jī)11判斷出前超聲波傳感器16檢測(cè)到的距離加上兩個(gè)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(cè)到的距離時(shí)，給舵機(jī)1發(fā)出左轉(zhuǎn)信號(hào)；

單片機(jī)11判斷出前超聲波傳感器16檢測(cè)到的距離加上兩個(gè)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(cè)到的距離時(shí)，給舵機(jī)1發(fā)出右轉(zhuǎn)信號(hào)。

舵機(jī)1接收單片機(jī)11輸入的轉(zhuǎn)向信號(hào)并執(zhí)行轉(zhuǎn)向動(dòng)作，舵機(jī)1的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向軸4、轉(zhuǎn)向叉9作相同幅度的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向叉9通過固定芯軸6、雙軸承5將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞至轉(zhuǎn)向前輪7，使其左右擺動(dòng)，從而完成直線行駛時(shí)的方向校正、遇障時(shí)的避障和賽道末端的掉頭行駛動(dòng)作。